一种基于移相全桥的无人机用电源设计

2021-07-02黎雁

通信电源技术 2021年5期

黎雁

（贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳 550008）

0 引言

某型无人机电源提出的主要技术指标要求如下，输入电压为三相交流电，线电压为170～200 V，频率为2～3 kHz，输出电压为直流（28.5±1） V，输出电流为额定45 A，瞬态73 A。根据无人机电源的供电特性，本文设计了一种全波整流+移相全桥DC/DC变换+倍流整流的电源变换器。

1 电路构成

电源变换器首先通过三相整流桥整流和滤波电路将输入的三相交流电压变换成直流电压，直流电压经过全桥变换电路后整流输出，转化为稳定的28.5 V电压。由于在功率变换时需要对开关管进行控制，因此电路中还包括控制信号电路和驱动电路以及为控制和驱动供电的辅助电源电路。电源变换器原理如图1所示。

图1 电路原理框图

1.1 整流电路

先将输入的三相交流电压（线电压170～200 V，频率2～3 kHz）通过三相整流桥整流和滤波后变换成直流电压，电压约为228～280 V。

1.2 DC/DC变换电路

从技术要求看，输入三相交流线电压170～200 V经过三相整流电路后进行滤波，形成220～280 V的直流高电压。变换器输入电压已接近300 V，属于高输入电压范畴，一般电源设计时，输入电压高于200 V时就应该采用ZVS技术，以降低开关损耗。虽然每一个拓扑经过一些辅助电路都能实现ZVS，但是在绝大多数的工业应用中都是利用拓扑自身的特点来实现。由于不同拓扑实现ZVS难易程度不同，在有ZVS要求的场合，应尽量选用容易实现ZVS的拓扑结构，以减少额外的电路和代价[1]。

现有DC／DC拓扑中，不对称半桥和移相全桥等存在半桥结构的桥臂，并且桥臂上的两个开关互补导通，可以互相利用。作为ZVS的辅助开关，再利用变压器的漏感、励磁电感或是滤波电感作为抽取开关输出电容上电荷的电流源，就可以不加任何其他电路实现ZVS[2]。又由于产品的输出功率较大，选择主开关管较多的电路拓扑有利于分散功率，降低管子的选型难度，同时利于热设计。因此，本产品中DC/DC拓扑选用移相全桥ZVS方案，拓扑及控制时序如图2所示。其中图2（a）为该方案的主电路拓扑，图2（b）为功率变换器移相控制时序。D1和D3轮流导通，各导通180°电角度，D2和D4亦轮流导通，但不是同时导通，而是D2先导通，D4后导通，两者导通相差的电角度为α[3]。输出电压调宽波与导通角α有关，通过改变α可以控制输出电压的脉冲宽度，从而控制输出电压的高低，达到稳定输出电压的目的[4]。

图2 全桥变换器电路拓朴

1.3 输出整流电路

输出整流电路采用倍流整流滤波电路，与全波整流相比，倍流整流变压器不需要中心抽头，且变压器副边绕组电流值是负载电流的一半，因此结构更简单，方便绕制[5]。另外，传统的PWM移相全桥零电压软开关变换器利用变压器的漏感或自感同开关管结电容谐振来实现零电压软开关。由于超前桥臂和滞后桥臂实现零电压软开关ZVS的条件不同，从而导致滞后桥臂实现零电压软开关ZVS的难度比超前桥臂要大得多[6]。输出整流二极管反向恢复会引起次级较大的电压尖峰，并且还存在由于输出整流二极管的反向恢复时间而导致的副边占空比丢失得情况[7-9]。采用倍流整流电路可以使用输出滤波电感储存的能量来实现开关管的ZVS，使超前桥臂和滞后桥臂均容易实现零电压软开关，同时有效抑制传统全波整流副边占空比丢失情况，还可以减小变压器副边电压尖峰。

1.4 控制电路

控制电路采用UCC2895，UCC2895是美国TI公司生产的PWM控制器，适合于移相全桥电路。而且具有自适应死区设置，可以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求[10]。

1.5 驱动电路

驱动电路采用MIC4420，MIC4420是Micrel公司生产的集成驱动块，其峰值电流为6 A，能驱动10 000 pF的容性负载。采用4只MIC4420分别驱动4只开关管。

1.6 辅助电源

辅助电源电路采用振华微电子公司型号为“ZMDC270S12/6W”的DC/DC电源模块，该电源模块的输入电压为直流200～300 V，输出电压为12 V，输出功率为6 W，能满足控制及驱动电路的用电需求。

2 详细电路及参数设计

2.1 主功率电路

根据上文的设计思路，设计了如图3所示的主功率电路。

输入整流滤波电路采用V1～V3共3只IXYS公司的快恢复二极管模块DSEI 2×30-06C组成整流桥，每只二极管的正向平均整流电流IFAV=30 A，正向压降VF=1.4 V，反向耐压VRRM=600 V，反向恢复时间trr=35 ns。产品工作时最高反向电压约290 V，最大电流约11.1 A，可见该整流器件完全能够满足要求。输入滤波采用SIC SAFCO公司的3只A705229 450 V-330 μF±20%电容器，耐压为450 V，工作温度范围为-55～105 ℃。

主功率全桥电路采用全桥移相软开关控制方案，开关功率管V5～V8选用IXYS公司的IXFN 70N60Q2。其耐压VDSS=600 V，额定工作电流ID=70 A，导通电阻RDS=0.08 Ω，栅极电容CISS=7 200 pF。谐振电容采用CT81-2 kV-12b-2E3-222M。全桥移相电路的最大特点是4只功率开关管工作时，输出脉宽波形的调整不是通过直接调整控制波形的脉宽来进行，而是通过调整前、后桥臂的相位来进行，从而能够实现开关管的零电压开通与关断，大大减小开关损耗。

主功率变压器采用VAC公司的超微晶铁芯063-W435，其饱和磁密Bs可达1.2 T，选择工作频率f=50 kHz，工作磁密为0.25 T，经计算得原边匝数N1=51，副边匝N2=16。采用φ0.56 mm的漆包线绕制，原边16根并绕，副边60根并绕，电流密度分别为1.7 A/mm2和 3.2 A/mm2。

输出整流滤波电路中，整流管采用DSS 2×101-02A，该管的正向平均整流电流IFAV=2×100 A，正向压降VF=0.84 V（IFAV=100 A），反向耐压VRRM=200 V，SOT-227B封装，产品工作时整流管承受的反向电压约120 V（包含尖峰电压），最大电流为73 A，整流器件技术指标满足要求。滤波电感采用798公司的铁硅铝粉芯磁环，采用25根φ0.63 mm的漆包线绕制18匝，电感量为35μH，电流密度分别为2.88 A/mm2。

2.2 辅助电路

辅助电路包括辅助电源、控制电路以及驱动电路，具体如图4所示。

图4 辅助电路图

其中，辅助电源采用振华微电子公司ZMDC270S12/6W电源模块。该模块输入电压为150～320 V，输出电压为12 V，输出功率为6 W，能够满足产品内部供电的需求。控制电路采用UCC2895，工作频率f=50 kHz。采用由UCC2895内部的误差放大器及其外围元器件组成稳压调节电路（调节器），采用比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）调节，可以使稳压环路获得较好的静态和动态性能。驱动电路由驱动块MIC4420加隔离变压器组成。MIC4420的峰值电流为6 A，能驱动10 000 pF的容性负载，用来驱动IXFN 70N60Q2（栅极电容7 200 pF）的VMOS管已足够。

3 实验结果

根据以上设计，生产了原理样机，并对样机进行实验。为了覆盖输入指标要求，实验中选择了3个测试点进行测试。3个测试点的输入相电压分别为96 V（对应线电压166 V）、107 V（对应线电压185 V）以及117 V（对应线电压202 V），完全覆盖输入线电压170～200 V的要求。在每一个输入电压下，测试了样机的输入电压、输入功率、输出电压、输出电流以及输出纹波，并计算了样机的转换效率，得到实验数据如表1所示。由于受到现有输入电源设备的限制，三相电源的频率不能达到3 kHz，因此测试时降低了频率，频率的降低会使得输入滤波效果变差。从实验数据看，在额定输出电流为45 A时，电源变换器样机的转换效率达到94.4%。在输出73 A时，由于线路上的损耗增加，转换效率有所降低，但仍大于90%，电源变换器样机的效率能满足要求。