具有恒功率特性的DC／DC變換器的研究

摘要：針對輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)的恒功率電源，提出一種具有恒功率特性DC／DC變換器的控制策略。該變換器采用多相交錯(cuò)并聯(lián)的Buck電路。分析了該變換器的基本原理、恒功率控制策略及恒功率切換對系統(tǒng)的影響。通過對系統(tǒng)輸出濾波電容大小的優(yōu)化設(shè)計(jì)及對負(fù)載電阻切換幅值的綜合考慮，消除了恒功率切換對系統(tǒng)的不良影響，提高了系統(tǒng)可靠性。最后采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)試制了一臺73 V輸入，輸出限壓40 V，輸出限流76 A，輸出功率限制2．4 kW的工程樣機(jī)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：變換器；低壓大電流；恒功率；輸出寬范圍

1 引言
多相交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)常用在輸出電壓較低、電流較大的DC／DC變換器中。而輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)的恒功率電源是開關(guān)電源諸多應(yīng)用領(lǐng)域中的一種特殊應(yīng)用，它具有輸出電壓可調(diào)范圍寬、穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)變化范圍大及恒功率輸出功能等特點(diǎn)。但此類開關(guān)電源存在占空比變換范圍大、設(shè)備利用率低、體積大、成本高和效率低等問題，限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，寬范圍恒功率電源的實(shí)現(xiàn)方法有采用線性電源及線性電源與開關(guān)電源組合的方式。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源雖有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定性好、控制線路簡單等特點(diǎn)，但受調(diào)整管功耗等因素限制，難以做到大電流寬范圍電壓輸出，要使輸出電壓能夠?qū)挿秶{(diào)節(jié)，必須使用多檔開關(guān)或轉(zhuǎn)換變壓器抽頭的方式，導(dǎo)致其體積較大、效率偏低；而線性電源與開關(guān)電源相組合的方式，雖然保證了穩(wěn)壓精度，一定程度上提高了系統(tǒng)效率，但輸出電壓在較寬范圍內(nèi)變化時(shí)，仍不能保證系統(tǒng)在全輸出電壓范圍內(nèi)的高效率。

2 變換器的結(jié)構(gòu)與控制策略
2．1 變換器結(jié)構(gòu)選擇
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路時(shí)，選擇原則是在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，力求經(jīng)濟(jì)、簡單。這里采用的結(jié)構(gòu)拓?fù)錇閮上嘟诲e(cuò)并聯(lián)的Buck電路，如圖1所示。

2．2 控制策略
輸出寬范圍恒功率電源是指輸出電壓及電流都可在較寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，且在工作區(qū)內(nèi)變換器可工作在恒功率模式，即輸出電壓大時(shí)負(fù)載電流小，負(fù)載電流大時(shí)輸出電壓小，其輸出特性如圖2a所示。該類變換器的輸出電流在0～I(xiàn)omax間連續(xù)調(diào)節(jié)，而最大輸出電壓限制在Uomax，最大輸出功率限制在Pomax。例如輸出電流給定為I1，而負(fù)載從R1增大到R2時(shí)，系統(tǒng)的工作點(diǎn)將從A切換到B，此時(shí)輸出電流也將被限制在I2。

結(jié)合圖2b可知，變換器存在3個(gè)工作區(qū)間：恒壓、恒流及恒功率工作區(qū)間，相對應(yīng)3種控制策略。