高压输入低压多路输出的两级式变换器

2010年1月电工技术学报Vol.25 No. 1 第25卷第1期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2010 高压输入低压多路输出的两级式变换器温振霖阮新波任小永李明秋（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室南京 210016）摘要270V高压直流电源系统是先进飞机电源系统的优选方案。

随着飞机供电容量的增加，要求航空二次电源能够提供不同等级的电压输出以满足各种机载电子设备的需求。

在这种高压输入低压多路输出的应用场合中，传统的变换器常遇到占空比失控、绕组耦合不佳及交叉调整率较差等情况。

提出了一种隔离式拓扑和非隔离式拓扑相结合的两级式多路输出结构，可以解决传统变换器在此类电源模块设计中存在的问题。

在分析这种变换器稳定性的基础上，试制了一台200～330V输入，12V/2A、−12V/1A、3.3V/6A和5V/10A 4路输出的DC/DC原理样机，给出了实验结果。

关键词：270V HVDC 两级式变换器多路输出中图分类号：TM461Two-Stage Converter of High Voltage Input Low Voltage Multi-OutputWen Zhenlin Ruan Xinbo Ren Xiaoyong Li Mingqiu（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）Abstract 270V high-voltage direct current (HVDC) power system is a preferred option of the advanced aircraft’s power supply system, with the increased capacity of the aircraft’s power supply, different levels of voltage output are required to meet the various on-board electronic equipments’ demand. In the applications of high-voltage input low-voltage multi-output occasions, the traditional converters have these problems，such as the uncontrolled duty ratio, the awful coupling of the windings of the transformer，and the poor cross-adjusted rate. In order to solve these problems, a two-stage converter is composed of a traditional isolated converter and a non-isolated one is proposed in this paper. It can avoid which often come up against in traditional converter design. Based on the analysis of the stability of the converter, a prototype with 200V to 300V input, four outputs including 12V/2A,–12V/1A, 3.3V/6A and 5V/10A is fabricated and tested in the lab, and the results are given in this paper.Keywords：270V HVDC, two-stage converter, multi-output1引言多电飞机技术的飞速发展，对飞机的电气系统提出了越来越高的要求，主要表现在供电容量的增加、不间断供电的需求及负载的自动管理等方面。

由交流无刷电机和电力电子变换装置构成的270V 直流系统具有起动和发电功能，其高转速易于提高功率密度[1]。

同时，该系统可靠性高，配电电网重量轻，易于实现不间断供电。

可见，270V HVDC 更能适应多电飞机的发展要求[2]。

另一方面，在多电飞机电气系统中存在各种各样的电子负载，这就要求航空二次电源可以提供不同等级的电压输出。

早期的多路输出电源，通常采用几个独立的DC/DC变换器组装在一起实现多路输出功能，这种方式虽然简单，但是增加了电源的成本及体积，同时还会带来拍频干扰[3]。

为此，寻求一种适用于航空二次电源的多路输出方案具有重要的现实意义。

收稿日期 2009-08-14 改稿日期 2009-10-21第25卷第1期温振霖等高压输入低压多路输出的两级式变换器 91在HVDC供电体制下，低压多路输出DC/DC 变换器的设计存在着一些问题：一方面，输入电压和输出电压相差悬殊，各路输出电压间不共地，这势必需要引入隔离式变换器[4]。

传统的单级式隔离变换器，由于输出电压远低于输入电压，导致变压器一、二次侧匝比很大，绕组间耦合较差，使得漏感增大。

大的漏感不仅会引起占空比丢失，不利于变换器的优化设计，而且会引起二次侧整流管的电压尖峰，使得整流器件的电压应力增大，导致变换器的效率降低；另一方面，多路输出的航空二次电源要求输出电压稳压精度高，交叉调整率好。

如果在传统的单级隔离变换器中引入后级调节，虽然可以实现精确稳压，但是在各路输出电压不成比例时，变压器的设计难度增大，同时，当各路输出电压间压差过大时，可能给后级调节造成困难。

因此，在270V高压输入，低压多路输出应用场合中，单级式多路输出变换器不是最优的拓扑。

针对上述问题，本文提出一种两级式的拓扑结构，其具有控制简单、响应速度快、热应力分布均匀、稳压精度高及交叉调整率好的优点。

2变换器的拓扑结构2.1两级式多路输出变换器的构成在要求隔离的应用场合，两级式多路输出变换器的组合方式有以下三种：①仅后级采用隔离型变换器；②两级采用隔离型变换器级联；③仅前级采用隔离型变换器。

为了得到高精度的各路输出电压，后级变换器应采用闭环控制。

如果选取前两种方案，由于各路输出不共地，使得电路过于复杂；而在第三种方案中，前级隔离型变换器采用开环工作方式，在满占空比输出条件下，整流后的波形接近直流。

这样，前级变换器实质上是一个母线直流变换器[5]，实现大幅降压的功能；后级变换器对各路输出进行独立的闭环调节，保证各路输出的稳压精度、交叉调整率及动态性能。

因此，本文将采用第三种方案来实现高压输入、低压多路输出的功率变换。

2.2拓扑结构的选取适合作为母线直流变换器的拓扑有全桥、推挽和半桥三种[5]。

全桥变换器主电路及控制电路的复杂程度最高，它更适合在中大功率场合应用；对比半桥和推挽变换器，虽然半桥变换器开关管的电流应力比推挽变换器高，但是电压应力是推挽变换器的一半，其更适合在高压输入场合应用。

因此，这里选取半桥变换器作为前级主电路拓扑。

对后级变换器而言，Buck变换器是最简单的降压型非隔离式变换器，各路独立闭环控制可以保证每路输出的稳压精度高、稳定性好、动态响应速度快。

基于以上分析，本文采用的两级式多路输出变换器的拓扑结构为“半桥+Buck”（见图1）。

图1 两级式多路输出变换器Fig.1 Two-stage multi-output converter3两级式多路输出结构稳定性分析在两级式变换器中，如果源变换器与负载变换器之间的阻抗不匹配，即使两个变换器各自独立工作时都稳定，级联之后的系统也有可能不稳定[6]。

如图2所示的结构中，根据Middlebrook判据[7]，在全频率范围内，当源变换器输出阻抗的模小于负载变换器输入阻抗的模，即outin1ZZ≤（1）则系统可以确保稳定工作。

图2 分布式电源系统结构图Fig.2 Structure of distributed power system本文所采用的两级式多路输出变换器中，半桥变换器是源变换器，Buck变换器是负载变换器。

图3分别给出了单路输出的半桥变换器考虑寄生参数的等效电路模型及小信号模型[8]，实际半桥变换器中采用的输出滤波电容是陶瓷电容，其ESR非常小，因此在模型中将其忽略。

对于图3b的小信号模型，令inˆv=0，hbˆd=0，可求出半桥变换器的开环输出阻抗[9]()()()x hb x hb lx hboxx hb lx hb x hb x hb lx hb1_L_____L__sL R RZsC R sL R R+=+++（2）92电 工 技 术 学 报 2010年1月（a ）单路输出半桥变换器（b ）小信号模型图3 实际半桥变换器及其小信号模型 Fig.3 Actual half bridge converter andits small signal model考虑寄生参数的同步整流Buck 变换器及其单电压环控制的小信号模型，如图4所示[10-11]。

图中G sen 为输出电压采样系数，F v (s )为电压调节器传递函数。

（a ）考虑寄生参数的同步整流Buck 变换器（b ）单电压环控制的同步整流Buck 变换器小信号模型图4 实际Buck 变换器及其小信号模型 Fig.4 Actual Buck and its small signal model主电路频域内的小信号模型可以表示为[9]in o vd o v o i id i in b ()()()()()()()()()()()ˆv s ˆZ s G s vs A s ˆi s ˆA s G s Y s i s ˆd s ⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎜⎟⎝⎠（3） 式中，in ˆv 、o ˆi 、bˆd 为输入；o ˆv 、in ˆi 为输出；A v (s ) 为输入-输出电压开环传递函数；Z o (s )为开环输出阻抗；G vd (s )为控制-输出电压传递函数；Y i (s )为开环输入导纳；A i (s )为输出-输入电流开环传递函数；G id (s )为控制-输入电流传递函数。

其相应表达式为in o b bin o o bin b o o v o ()0()0in o ()0()0o in vd ()0i ()0in b ()0()0in in i ()0id o b()0()()()()()()()()()()()()()()()()(ˆˆv s i s ˆˆd s d s ˆˆv s i s ˆˆi s d s ˆv s ˆd s ˆˆv s vs A s ,Z s ˆˆv s i s ˆˆv s i s G s ,Y (s )ˆˆv s d s ˆˆi s i s A s ,G s ˆˆi s d s ================in o ()0()0)ˆv s ˆi s ==⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩(4) 根据图4b ，结合式（3）和式（4）可知，开环输入阻抗为()b b b b l bi b1()L __C ___R sL R /sC //R Z s D ⎡⎤+++⎣⎦= （5） 控制-输出的传递函数为()()()()b b l b in vd b b b b l b1()1C ___L __C ___R /sC //R V G s R sL R /sC //R ⎡⎤+⎣⎦=+++（6）根据图5，可以得到电压调节器传递函数为图5 电压调节器 Fig.5 Voltage regulator()()vf vz vp v vi1///1/()R sC sC F s R ⎡⎤⎡⎤+⎣⎦⎣⎦= （7）反馈-控制传递函数为()()()vf vz sensen v c m vp vi vf vz vp m1/()()1/1/R sC G G F s G s V sC R R sC sC V ⎡⎤+⎣⎦==⎡⎤++⎣⎦（8）第25卷第1期温振霖等 高压输入低压多路输出的两级式变换器 93根据式（4）和式（8）可以得到单电压环控制的Buck 变换器控制框图（见图6）。