適用于低壓大電流輸出模塊的兩級式變換器

1、多電飛機電氣系統(tǒng)重點實驗室學術(shù)年會(CMEAPS’2017)論文集73適用于低壓大電流輸出模塊的兩級式變換器適用于低壓大電流輸出模塊的兩級式變換器任小永阮新波(南京航空航天大學，江蘇南京210016)TwoStageConverterApplicabletoLowVoltageHighCurrentOutputModulesRENXiaoyongRUANXinbo(NanjingUniversityofAeronautics&Astro

2、nauticsNanjing210016China)Abstract:Tomeettheincreasingdemsofwidelinerangelowvoltagehighcurrentoutputpowermodulesrequiredfcommunicationthecomputertechnologyatwostageconvertercomposedofatraditionalisolatedconverter&nonisol

3、atedoneisproposedhere.Thistwostageconvertercanavoidtheseproblemssuchastheawfulcouplingofthewindingsofthetransfmertheuncontrolleddutyratiooftencomeupagainstintraditionalconverterdesign.Itissuitablefhighpowerdensityhighrel

4、iabilitylowpowerwithlowvoltage&highcurrentoutputmodules.aprototypewiththeinput33to75V&output5V10Aisbuilttheresultsaregivenbasedontheexperiments.Keywds:WideLineRangeHighPowerDensityLowVoltageHighCurrentOutputTwoStageConve

5、rter摘要：摘要：為了滿足通訊和計算機行業(yè)對其供電模塊不斷提高的要求，本文提出一種兩級式結(jié)構(gòu)，即隔離式變換器和非隔離式變換器相結(jié)合。該結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)變換器在此類模塊設(shè)計中遇到的變壓器原副邊繞組耦合不佳、占空比失控等問題，尤其適合于高功率密度、高可靠性的低壓大電流輸出的小功率模塊。采用所提出的這種兩級式結(jié)構(gòu)，試制了一臺33－75V輸入、5V10A輸出的原理樣機，并給出了實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：寬電壓輸入高功率密度低壓大電流輸出兩級式變

6、換器1.引言引言隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機以及通訊對供電電源提出了越來越高的要求，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①為了提高微處理器的速度、提高IC的集成度、降低基本單元的功耗，輸出電壓越來越低；②工作單元的集成度的提高，要求電源輸出電流越來越大；③用電設(shè)備的動態(tài)負載特性要求供電電源的動態(tài)響應速度快，且動態(tài)變化時電壓波動量??；④輸出電壓紋波越來越??；⑤為了降低直流母線的損耗，減小動態(tài)對其他設(shè)備的影響，輸入電壓越來越高且范圍越來越寬；⑥體積

7、的限制要求電源有合理的熱應力分布、高效率、高功率密度以及高可靠性。這樣一個趨勢可以從CPU供電電源(VoltageRegulatModule，VRM)的發(fā)展上看出來。圖1與圖2分別給出了Intel公司對VRM輸出電壓、電流以及動態(tài)電流變化率的預測圖[12]。VRM的輸入也由早期的5V升高到現(xiàn)在的12V，未來會被提高到48V[234]?？傊瑢δK電源越來越高的要求尤其是輸入輸出電壓比值懸殊，給變換器優(yōu)化設(shè)計帶來了相當大困難。傳統(tǒng)的Buc

8、k變換器，在輸入電壓變高而輸出電壓降低的時候，變換器的占空比就變得越來越小，這樣存在著兩個比較大的問題：①開關(guān)器件的開關(guān)延時以及上升下降時間，使得過小的占空比在控制上很難實現(xiàn)；同時為了減小0123456OutputVoltage(V)050100150200250OutputCurrent(A)19901995200020052010LoadCurrentDieVoltage圖1Intel對VRM輸出電壓電流的預測10509013020

9、0120032005200720092011didt(Aus)圖2Intel對VRM輸出電流動態(tài)變化速度的預測任小永等：適用于低壓大電流輸出模塊的兩級式變換器75磁性元件，且原邊也只有一個功率器件。當采用同步整流技術(shù)時，如果采用電壓型自驅(qū)動，變換器將一直工作在電流連續(xù)模式，在輕載或是空載的時候，就有相當一部分能量在原副邊之間傳遞，損耗較大；而如果采取電流型自驅(qū)動方式，需要檢測副邊同步整流管電流[8]，比較復雜，其器件少的優(yōu)勢就體現(xiàn)不出來

10、了。正激變換器的電壓型自驅(qū)動同步整流技術(shù)簡單易實現(xiàn)。然而其變壓器工作在單方向磁化狀態(tài)，且占空比小于0.4、脈動頻率就是開關(guān)頻率，其濾波器需要的電感量遠遠大于橋式變換器。至于推挽變換器和半橋變換器，無論是原邊功率器件的數(shù)目、同步整流的控制方式還是磁芯的工作狀態(tài)以及濾波器的工作頻率都一樣。所不同的是原邊開關(guān)管的電壓應力，推挽變換器開關(guān)管的電壓應力是輸入電壓的兩倍，半橋變換器開關(guān)管的電壓應力就是輸入電壓；而且推挽變換器存在偏磁問題比較難解決，

11、半橋變換器則可以用隔直電容來解決?；谝陨戏治觯覀冞x擇半橋變換器作為此兩級式變換器中的隔離變換器，也就是提出的兩級式變換器由半橋變換器和Buck變換器構(gòu)成。2.2控制策略控制策略考慮到采用隔離式變換器實現(xiàn)大幅降壓，用Buck變換器實現(xiàn)對輸出的調(diào)節(jié)，我們采用半橋變換器前置的兩級式結(jié)構(gòu)（如圖5）。根據(jù)是否控制各級輸出電壓的不同又可以分為3種控制策略：控制前級不控制后級、控制后級不控制前級以及兩級都控。只控制前級時，讓Buck變換器工作在恒

12、定的占空比，通過調(diào)節(jié)半橋的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。由于采樣要隔離，而且負載動態(tài)變化時，后級占空比仍然恒定，動態(tài)響應會受到影響；而兩級都控的方案雖然性能比較好，但控制過于復雜。只控制后級時，半橋變換器可以認為是一個母線直流變壓器（又稱BusConverter），即讓半橋工作在滿占空比導通狀態(tài)，調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比來控制輸出電壓。此控制策略有如下幾個優(yōu)點：①無論是半橋變換器還是Buck變換器都有專門的控制芯片，從而大大簡化了控制電路的復

13、雜程度；②半橋變壓器副邊輸出經(jīng)全波整流后的波形理論上近乎于直流，輸出濾波電感可以大大減小這對于提高模塊的功率密度是極其有利的；③半橋變換器原邊開關(guān)管可以實現(xiàn)ZVS。2.3相對于單級式變換器的優(yōu)點相對于單級式變換器的優(yōu)點對比于傳統(tǒng)單級式變換器，本文提出的兩級式變換器在控制上的復雜程度并不明顯，但是其解決了傳統(tǒng)隔離式變換器存在的變壓器繞組耦合、自驅(qū)動同步整流難以實現(xiàn)問題，Buck變換器過小的占空比不易控制的問題同樣也得到了很好的解決。在解決

14、這些問題的同時還帶來熱應力分布合理的優(yōu)點。為了解決熱應力集中的問題，傳統(tǒng)的單級式變換器通常會采用開關(guān)器件并聯(lián)使用或者是多相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)。前者為了保證足夠的驅(qū)動能力，驅(qū)動電路的設(shè)計比較困難；后者的控制電路則相對復雜。本文提出的兩級式變換器增加了功率器件的數(shù)目，但并沒有很大程度的增大控制、驅(qū)動的復雜程度。跟單級式變換器相比，如果功耗一樣，而分攤功耗的功率器件多了，熱應力集中的問題就可以得到有效的解決。3.兩種不同結(jié)構(gòu)的比較兩種不同結(jié)構(gòu)的比較