一種基于移相全橋的無人機用電源設計

黎 雁

（貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

某型無人機電源提出的主要技術指標要求如下，輸入電壓為三相交流電，線電壓為170～200 V，頻率為2～3 kHz，輸出電壓為直流（28.5±1） V，輸出電流為額定45 A，瞬態(tài)73 A。根據(jù)無人機電源的供電特性，本文設計了一種全波整流+移相全橋DC/DC變換+倍流整流的電源變換器。

1 電路構成

電源變換器首先通過三相整流橋整流和濾波電路將輸入的三相交流電壓變換成直流電壓，直流電壓經(jīng)過全橋變換電路后整流輸出，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的28.5 V電壓。由于在功率變換時需要對開關管進行控制，因此電路中還包括控制信號電路和驅(qū)動電路以及為控制和驅(qū)動供電的輔助電源電路。電源變換器原理如圖1所示。

圖1 電路原理框圖

1.1 整流電路

先將輸入的三相交流電壓（線電壓170～200 V，頻率2～3 kHz）通過三相整流橋整流和濾波后變換成直流電壓，電壓約為228～280 V。

1.2 DC/DC變換電路

從技術要求看，輸入三相交流線電壓170～200 V經(jīng)過三相整流電路后進行濾波，形成220～280 V的直流高電壓。變換器輸入電壓已接近300 V，屬于高輸入電壓范疇，一般電源設計時，輸入電壓高于200 V時就應該采用ZVS技術，以降低開關損耗。雖然每一個拓撲經(jīng)過一些輔助電路都能實現(xiàn)ZVS，但是在絕大多數(shù)的工業(yè)應用中都是利用拓撲自身的特點來實現(xiàn)。由于不同拓撲實現(xiàn)ZVS難易程度不同，在有ZVS要求的場合，應盡量選用容易實現(xiàn)ZVS的拓撲結(jié)構，以減少額外的電路和代價[1]。

現(xiàn)有DC／DC拓撲中，不對稱半橋和移相全橋等存在半橋結(jié)構的橋臂，并且橋臂上的兩個開關互補導通，可以互相利用。作為ZVS的輔助開關，再利用變壓器的漏感、勵磁電感或是濾波電感作為抽取開關輸出電容上電荷的電流源，就可以不加任何其他電路實現(xiàn)ZVS[2]。又由于產(chǎn)品的輸出功率較大，選擇主開關管較多的電路拓撲有利于分散功率，降低管子的選型難度，同時利于熱設計。因此，本產(chǎn)品中DC/DC拓撲選用移相全橋ZVS方案，拓撲及控制時序如圖2所示。其中圖2（a）為該方案的主電路拓撲，圖2（b）為功率變換器移相控制時序。D1和D3輪流導通，各導通180°電角度，D2和D4亦輪流導通，但不是同時導通，而是D2先導通，D4后導通，兩者導通相差的電角度為α[3]。輸出電壓調(diào)寬波與導通角α有關，通過改變α可以控制輸出電壓的脈沖寬度，從而控制輸出電壓的高低，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的[4]。

圖2 全橋變換器電路拓樸

1.3 輸出整流電路

輸出整流電路采用倍流整流濾波電路，與全波整流相比，倍流整流變壓器不需要中心抽頭，且變壓器副邊繞組電流值是負載電流的一半，因此結(jié)構更簡單，方便繞制[5]。另外，傳統(tǒng)的PWM移相全橋零電壓軟開關變換器利用變壓器的漏感或自感同開關管結(jié)電容諧振來實現(xiàn)零電壓軟開關。由于超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)零電壓軟開關ZVS的條件不同，從而導致滯后橋臂實現(xiàn)零電壓軟開關ZVS的難度比超前橋臂要大得多[6]。輸出整流二極管反向恢復會引起次級較大的電壓尖峰，并且還存在由于輸出整流二極管的反向恢復時間而導致的副邊占空比丟失得情況[7-9]。采用倍流整流電路可以使用輸出濾波電感儲存的能量來實現(xiàn)開關管的ZVS，使超前橋臂和滯后橋臂均容易實現(xiàn)零電壓軟開關，同時有效抑制傳統(tǒng)全波整流副邊占空比丟失情況，還可以減小變壓器副邊電壓尖峰。

1.4 控制電路

控制電路采用UCC2895，UCC2895是美國TI公司生產(chǎn)的PWM控制器，適合于移相全橋電路。而且具有自適應死區(qū)設置，可以適應負載變化時不同的準諧振軟開關要求[10]。

1.5 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用MIC4420，MIC4420是Micrel公司生產(chǎn)的集成驅(qū)動塊，其峰值電流為6 A，能驅(qū)動10 000 pF的容性負載。采用4只MIC4420分別驅(qū)動4只開關管。

1.6 輔助電源

輔助電源電路采用振華微電子公司型號為“ZMDC270S12/6W”的DC/DC電源模塊，該電源模塊的輸入電壓為直流200～300 V，輸出電壓為12 V，輸出功率為6 W，能滿足控制及驅(qū)動電路的用電需求。

2 詳細電路及參數(shù)設計

2.1 主功率電路

根據(jù)上文的設計思路，設計了如圖3所示的主功率電路。

輸入整流濾波電路采用V1～V3共3只IXYS公司的快恢復二極管模塊DSEI 2×30-06C組成整流橋，每只二極管的正向平均整流電流IFAV=30 A，正向壓降VF=1.4 V，反向耐壓VRRM=600 V，反向恢復時間trr=35 ns。產(chǎn)品工作時最高反向電壓約290 V，最大電流約11.1 A，可見該整流器件完全能夠滿足要求。輸入濾波采用SIC SAFCO公司的3只A705229 450 V-330 μF±20%電容器，耐壓為450 V，工作溫度范圍為-55～105 ℃。

主功率全橋電路采用全橋移相軟開關控制方案，開關功率管V5～V8選用IXYS公司的IXFN 70N60Q2。其耐壓VDSS=600 V，額定工作電流ID=70 A，導通電阻RDS=0.08 Ω，柵極電容CISS=7 200 pF。諧振電容采用CT81-2 kV-12b-2E3-222M。全橋移相電路的最大特點是4只功率開關管工作時，輸出脈寬波形的調(diào)整不是通過直接調(diào)整控制波形的脈寬來進行，而是通過調(diào)整前、后橋臂的相位來進行，從而能夠?qū)崿F(xiàn)開關管的零電壓開通與關斷，大大減小開關損耗。

主功率變壓器采用VAC公司的超微晶鐵芯063-W435，其飽和磁密Bs可達1.2 T，選擇工作頻率f=50 kHz，工作磁密為0.25 T，經(jīng)計算得原邊匝數(shù)N1=51，副邊匝N2=16。采用φ0.56 mm的漆包線繞制，原邊16根并繞，副邊60根并繞，電流密度分別為1.7 A/mm2和 3.2 A/mm2。

輸出整流濾波電路中，整流管采用DSS 2×101-02A，該管的正向平均整流電流IFAV=2×100 A，正向壓降VF=0.84 V（IFAV=100 A），反向耐壓VRRM=200 V，SOT-227B封裝，產(chǎn)品工作時整流管承受的反向電壓約120 V（包含尖峰電壓），最大電流為73 A，整流器件技術指標滿足要求。濾波電感采用798公司的鐵硅鋁粉芯磁環(huán)，采用25根φ0.63 mm的漆包線繞制18匝，電感量為35μH，電流密度分別為2.88 A/mm2。

2.2 輔助電路

輔助電路包括輔助電源、控制電路以及驅(qū)動電路，具體如圖4所示。

圖4 輔助電路圖

其中，輔助電源采用振華微電子公司ZMDC270S12/6W電源模塊。該模塊輸入電壓為150～320 V，輸出電壓為12 V，輸出功率為6 W，能夠滿足產(chǎn)品內(nèi)部供電的需求。控制電路采用UCC2895，工作頻率f=50 kHz。采用由UCC2895內(nèi)部的誤差放大器及其外圍元器件組成穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路（調(diào)節(jié)器），采用比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）調(diào)節(jié)，可以使穩(wěn)壓環(huán)路獲得較好的靜態(tài)和動態(tài)性能。驅(qū)動電路由驅(qū)動塊MIC4420加隔離變壓器組成。MIC4420的峰值電流為6 A，能驅(qū)動10 000 pF的容性負載，用來驅(qū)動IXFN 70N60Q2（柵極電容7 200 pF）的VMOS管已足夠。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)以上設計，生產(chǎn)了原理樣機，并對樣機進行實驗。為了覆蓋輸入指標要求，實驗中選擇了3個測試點進行測試。3個測試點的輸入相電壓分別為96 V（對應線電壓166 V）、107 V（對應線電壓185 V）以及117 V（對應線電壓202 V），完全覆蓋輸入線電壓170～200 V的要求。在每一個輸入電壓下，測試了樣機的輸入電壓、輸入功率、輸出電壓、輸出電流以及輸出紋波，并計算了樣機的轉(zhuǎn)換效率，得到實驗數(shù)據(jù)如表1所示。由于受到現(xiàn)有輸入電源設備的限制，三相電源的頻率不能達到3 kHz，因此測試時降低了頻率，頻率的降低會使得輸入濾波效果變差。從實驗數(shù)據(jù)看，在額定輸出電流為45 A時，電源變換器樣機的轉(zhuǎn)換效率達到94.4%。在輸出73 A時，由于線路上的損耗增加，轉(zhuǎn)換效率有所降低，但仍大于90%，電源變換器樣機的效率能滿足要求。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

移相全橋電路在高輸入電壓和大功率輸出情況下具備相較于其他拓撲電路明顯的優(yōu)勢，本文設計了一種用移相全橋電路作為主功率變換電路的用于無人機設備的電源變換器，該變換器樣機已經(jīng)過無人機飛行驗證，能夠滿足無人機系統(tǒng)的供電需求。