高压直流变换器

3 采样反馈方案选择

3.1 线性光耦采样反馈电路

线性光耦是低压开关电源常用的隔离反馈器件，以其价格低廉和电路简单得到普遍应用。然而其稳定性和精度不适合要求较高的场合。光电隔离器传输特性如图1所示，可见，电流传输比Di在if为5 mA，10 mA时分别约为1，0.67(uce=5 V)，同时uce的变化对其他参数也有较大影响;当温度从0～50℃变化时，Di从1.05变为0.9。实验结果证明，由于其参数的离散性、时间和温度的变化引起的不平衡度会增加到5.6%，因此光耦不适合高压隔离取样。

3.2 幅度调制隔离取样反馈

该方法是将采样电压进行调幅，产生一个幅度随采样电压变换的方波信号，再驱动变压器或光耦，其典型电路如UC3901。该方法较适用于低压开关电源隔离，因芯片的供电电源可直接由输出电源提供。对于高压变换器，此方法不宜采用。

3.3 脉冲变压器采样反馈

该方案采用脉冲变压器采样反馈电路。它用一个固定频率、固定脉宽的降压变换器，直接将输出高压变换为脉冲幅度调制的低压信号。这种方法制作一致性好，温度漂移极小(磁性材料的温度范围宽)、带宽宽(磁性材料工作频率高)、体积小、价格低廉.是保证输出电压低漂移、高度平衡对称的有效方法。

4 对称高压变换器电路原理

对称高压直流变换器电路原理如图2所示。

它由上下对称的两个Boost变换器构成。Uin1，L1，VT3，VD3，C1构成正电压变换器，PWM1，T3等构成正电压反馈控制电路。振荡驱动电路产生固定频率和脉宽的脉冲信号，这样取样的信号完全无失真地反映了输出电压的瞬时变化。为保证输出电压低的温度漂移，一个高精度、低漂移的电压参考源给PWM1和PWM2供电是必要的。

5 主要元件参数设计

5.1 升压电感设计

电感量L1，L2计算式为：

式中：Uinmin为输入电压最小值，Uinmin=208 V;f为工作频率，f=20 kHz;IL为电感的平均电流;k为电感电流的纹波系数;Dmax为最大占空比，Dmax=1-Uinmin/Uo=0.45。

在式(1)中，影响电感量的关键参数是k的选择。它不仅影响电流的连续性，而且影响电感的体积和成本。k越小，储能和体积同时增大;反之，储能和体积同时减小。所以该系数具有一个优选值。该系统输出功率12 kW，所以正、负变换器各输出功率为6 kW，电流Io=17 A，IL=29 A，ILPK=IL+△iL/2分别取k为0.2，0.25，0.3，0.4，0.5，则L分别为806μH，646 μH，538μH，403μH，323μH。这些电感能否满足贮存能量的要求，还需要核算。根据，可得各电感贮存的能量依次为：8.2 kW，6.88 kW，5.98 kW，4.88 kW，4.24 kW。由此可知：k取0.2过大，使电感体积和成本增加，取0.3不满足输出功率要求，取0.25满足输出功率要求。

5.2 磁芯选择与核算

为保证电感在空载到满载情况下电感量的稳定和电感系数比较大，选择铁基磁粉芯作为线圈载体。考虑到材料的温度特性，工作磁通密度应选择在0.4Bs。这里用面积乘积法选择磁性器件：

式中：LI2=2x344 W·S;Bw=0.6 T;Ku为窗口系数;K为铁粉心电流密度比例系数。

填充系数通常选择在0.25～0.45范围内，典型值为0.4。系数越小，体积和成本增加，系数越大，绕制难度增加，且可能造成磁场强度增加，使磁导率快速下降，因此需要反复核算。这里取典型值：Ku=0.4，Kj=403 A/cm4，代入式(2)得：AP=129 cm4。初选磁性材料型号为H125-640，参数为ur=125，AwAe=42.58 cm4，考虑裕量，选4块磁芯可满足要求。4块磁芯并联，匝数，直流磁场强度：H=NI/Le=53.76 Oe，查材料磁导率和直流偏磁曲线，如图3所示。由图3曲线可知：此时材料的相对磁导率约降为原来的60%，所以在此状态下线圈总电感量。

故需要重新修正线圈匝数。由电感方程式可得修正线圈匝数为：。查曲线得修正后磁导率的下降系数约为0.48，电感L=546μH。工作磁通的核算如下：Bw=0.6uruoNI/Le=4.14×103Gs。

可见，工作磁通密度远未达到该型号的最大值1.5 T，所以工作于安全区，但电感量未能达到设计要求。原因是直流偏磁造成相对磁导率下降过快。如果继续增加电感匝数，由于磁场强度增加，使磁导率进一步下降。虽然当增加到一定数量时可以满足电感量的要求，但磁通密度、窗口系数及铜耗又不能满足设计求。为此需要重新修改设计。修正参数，重复以上计算(略)，结果为：Ku=0.3，AP=179 cm4，Bw= 4.27×103Gs，N=28。磁芯个数5块，L=662μH。

5.3 滤波电容选择

滤波电容选择主要依据纹波电压和纹波电流。纹波电流对电解电容的主要影响是发热，电容的等效串联电阻必须满足温升要求。电容容量为：

查元件表可知，1 000μF电容纹波电流仅为4.7 A，为保证可靠性，需对电容值进行修正，以满足纹波电流要求。修正后电容参数2x15 00μF，其纹波电流为12.8 A，满足设计要求。

5.4 IGBT选择

IGBT参数选择不仅要考虑电感支路流入的最大电流，还要考虑整流二极管的反相恢复电流，这两个电流(将脉冲电流换算为有效值)和需满足IGBT的电流降额。集电极的额定电流可表示为：ICr≥(ICrms+Idr_rms)/βef=125A(与工作频率有关)。据此可选择600V/150A的IGBT。

5.5 采样电路设计

采样变压器要求脉冲上升和下降时间短，输出包络检波充放电时常数合适，这样才能保证采样波形完全不失真地反映输出直流电压的变化。

6 实验与测试结果

通过电网电源倍压整流产生的直流电压对该电路进行测试。图4a为输入交流电压242 V空载时输出直流电压波形，图4b为输入交流电压194.5 V重载时输出直流电压波形。测试结果表明，空载和重载情况下，正、负母线电压偏差几乎为零;最大输出功率为13 kW;温度与时间漂移产生的正负电压不平衡度不大于0.27%。

7 结论

该电路可以实现功率13 kW、额定对称输出±375 V的直流电压;采样线性度、温度和时间漂移特性优良，应用于交流变换器可有效降低直流分量;该电路可实现更高输出电压的控制，还可用作大功率高压、高精度直流稳压电源。