引言

由于衛(wèi)星、飛船等航天設(shè)備的電源母線電壓主要為100V、42V等低壓段，相應(yīng)的器件也主要集中在低壓等級且品類較少，不能滿足高壓輸入的要求，這對中電華星的電源工程師來說產(chǎn)生了一定的困難。為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，工程師采用多電平直流變換器。隨著電平數(shù)的增加，箝位二極管和飛跨電容的數(shù)量也相應(yīng)增加，而且飛跨電容電壓的檢測和控制也變得更加復(fù)雜。因此，據(jù)中電華星電源工程師介紹，對于輸入電壓等級較高的直流變換器，輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP，input series output paralle1)型的變換器結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。

ISOP型的變換器的特點是：單個變換器的輸入電壓減少至Vin／n(Vin為輸入電壓，n為模塊數(shù)目)，輸出電流減少至Io／n(，n為輸出電流)，由于電壓應(yīng)力的減少，容易選擇功率器件功能，滿足高輸入電壓場合的需求；每個模塊只承擔Po／n的功率，便于單個模塊設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計；利用交錯控制技術(shù)能夠減少輸出電流紋波、減少輸出濾波器件體積和提高動態(tài)性能；使用低電壓等級的MOSFET，通態(tài)電阻非常小，可提高效率。但由于該變換器中兩個模塊的器件參數(shù)，如高頻變壓器、導(dǎo)通占空比以及輸入電容等器件參數(shù)不一致，將導(dǎo)致分壓電容不均壓。若不采取有效措施，會使開關(guān)管承受的反壓不一致，系統(tǒng)可靠性降低。因此該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)是保證分壓電容均壓。

串聯(lián)分壓的控制方案有主從控制、雙環(huán)控制、三環(huán)控制等多種方式。這些控制方式優(yōu)點是能精確控制輸入均壓，但也有諸多缺點：控制系統(tǒng)復(fù)雜，降低了電源整體可靠性；每個電源需要獨立的輔助電源，會導(dǎo)致電源的體積、復(fù)雜性增大。在輸入電容容量較小的情況下，采用上述串聯(lián)控制方式時會出現(xiàn)啟動不同步而拉偏分壓，導(dǎo)致無法正常工作的現(xiàn)象。要解決該問題只能增大輸入電容并引入電源同步信號。這會增大電源體積及復(fù)雜度。本文提出了以反激變換器作為組合式變換器的基本模塊，采用單芯片控制，同步驅(qū)動的方案，從拓撲的原理上實現(xiàn)了輸入串聯(lián)均壓。

1 電源基本結(jié)構(gòu)及工作原理

反激變換器由于結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可方便得到多路隔離輸出、性能可靠等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用 。特別適合輸出中小功率電源的應(yīng)用場合。

本文以反激變換器作為組合式變換器的基本模塊，各個模塊輸入串聯(lián)分壓，并聯(lián)輸出，采用一個芯片進行閉環(huán)控制，芯片發(fā)出的PWM經(jīng)過隔離變壓器同步驅(qū)動每個模塊的MOSFET，此結(jié)構(gòu)既保留了反激變換器簡單、可靠性高的優(yōu)點，同時使原邊開關(guān)管只承受較低的輸入直流母線電壓，從而使得在高輸入電壓場合應(yīng)用現(xiàn)有低壓MOSFET成為可能。電源結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

該拓撲輸入由多個分壓電壓單元(分壓單元1~N)通過反激拓撲(包含反激變壓器TX1一TXn，功率開關(guān)管Q1～Qn)串聯(lián)，輸出通過二極管(D1～Dn)連接到一起，經(jīng)過輸出濾波電容濾波后給負載供電。為保證均壓硬件上增加了均壓電阻R1～Rn，均壓電容C1～Cn構(gòu)成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進一步保護電源在高壓空載時不會出現(xiàn)分壓嚴重偏移的問題，電源輸人端增加了TVS1～ TVSn進行保護。

該拓撲的工作原理和優(yōu)點如下：

① 由一個芯片控制。由一個驅(qū)動信號經(jīng)隔離變壓器后同步驅(qū)動各個開關(guān)管，具有天然的均壓特性。因反激變換器的特性，每個電源的輸出電壓被箝位一致，每個MOSFET的驅(qū)動完全一致，在單個PWM周期內(nèi)，假設(shè)其中模塊N的輸人電壓較高，則此模塊在該周期內(nèi)必然會傳輸更多的能量，從而導(dǎo)致模塊輸入電壓降低，其余模塊的輸入電壓升高，從而保持了每個模塊輸入電壓的自然均壓。該均壓過程作用在每個開關(guān)周期內(nèi)，保證了電源的實時均壓。

② 只需要一個啟動電路。因為原邊只有一個控制芯片，所以只需要一路啟動電源即可工作，所有串聯(lián)模塊采用同一路驅(qū)動信號開關(guān)動作，從而避免了因為啟動不同步而導(dǎo)致的不均壓問題。

③ 啟動、突加載均壓良好。電路本身固有的均壓特性保證了動態(tài)范圍內(nèi)的輸入均壓，實驗數(shù)據(jù)也證實了理論分析的正確性，在空載啟動、滿載啟動、100％ 負載切換等狀況下電源的各個模塊均壓特性良好。

④ 電源結(jié)構(gòu)簡單可靠。電源實現(xiàn)方式簡單，器件少，可靠度高。由于輸出并聯(lián)帶來的單個電源模塊的功率降低，散熱面積增大，電源溫升更小，增加了電源的可靠性。

該方案從拓撲原理上根本解決了分壓不均的問題，在每個開關(guān)周期內(nèi)模塊之間自動均壓，調(diào)節(jié)速度快。在電源空載或者短路時，因電源無輸出功率，均壓主要通過均壓電阻控制。為進一步保護電源在高壓空載時不會出現(xiàn)分壓嚴重偏移的問題，電源又增加了一級TVS保護，保證每個電源單元最大輸入電壓不超過設(shè)定值，而空載功耗很小，所以即使出現(xiàn)單個模塊輸入電壓超過設(shè)定值，TVS動作只需要極小的放電電流即可完成調(diào)整。

2 電源仿真及實驗驗證

為驗證理論的正確性，以輸入兩個模塊串聯(lián)輸出兩個并聯(lián)為例搭建了基于SIMPLIS的仿真模型，仿真原理圖如圖2所示。其中TX1、D1、Q1以及PWM1組成分壓單元1，TX2、D2、Q2以及PWM2組成分壓單元2。

輸入電壓設(shè)定為2000 V，采用兩級模塊分壓，驅(qū)動采用同樣參數(shù)的PWM模塊，模擬實際中的變壓器同步驅(qū)動，變壓器匝比為70：8，原邊電感量為2．5mH，占空比設(shè)定為10％ 。Q1與Q2耐壓大于2000V，D1與D2耐壓600 V。

用仿真模型分別仿真了輸出短路、輸出空載、輸出滿載等工況，圖3為輸出滿載工況下兩個均壓模塊的輸出電壓及兩者之間的偏差電壓。模塊1與模塊2的輸出電壓 。V1、V2的有效值均為1000 V，偏差(Vo)小于1V，結(jié)果表明兩個均壓模塊實現(xiàn)了良好的均壓效果，證明該方案的良好特性。

根據(jù)該方案設(shè)計一款高壓輸人電源，電源參數(shù)為：輸入電壓2000 V；輸出電壓12 V；輸出功率50 W；磁芯PQ3230；變壓器匝比70：8；原邊電感2．5 mH。

分別在空載啟動、滿載啟動、輸出負載切換、輸出短路等各種工況對電源進行了測試，測試在各種不同工況下，模塊單元1和單元2輸入電壓V1 、V2 的變化情況。實驗結(jié)果如圖4～圖8所示。可以看出在電源工作正常時均壓效果良好，只是在短路狀況下均壓才有偏差，大偏差為120 V左右，完全滿足規(guī)格要求。

3 結(jié)束語

通過理論分析、仿真分析及實驗驗證，中電華星電源工程師采用的基于反激拓撲的單芯片控制輸入串聯(lián)均壓拓撲具有以下特點：① 從拓撲的原理上實現(xiàn)了串聯(lián)模塊之間的均壓，均壓效果良好；② 該方案器件少，簡單可靠，具有較好的工程應(yīng)用前景。