一種低噪高輸出電壓DC―DC變換器設計

摘要：針對某航天器設備用的130 V高壓DC—DC變換器的低噪聲要求，采用初級側隔離的負載端直接反饋控制方式，次級側采用結合LC低通無(wú)源濾波電路和有源濾波電路的兩級輸出濾波電路設計方法。通過(guò)實(shí)驗，不僅實(shí)現了高壓DC-DC變換器的低噪聲輸出，而且通過(guò)優(yōu)化設計，使得兩級濾波器的體積較小，可靠性較高，實(shí)現了星載應用。
關(guān)鍵詞：低噪聲；有源濾波；高輸出電壓；DC—DC變換器

0 引言
某航天器設備需應用一種輸入電壓28 V、輸出電壓130 V的隔離式DC—DC變換器，因為該設備的控制精度要求高，因此對DC—DC變換器的輸出噪聲有嚴格的要求。深入分析該設備系統的工作狀態(tài)，設計影響其正常工作干擾來(lái)自于DC—DC變換器的傳導干擾，分為差模傳導噪聲和共模傳導噪聲。
DC—DC變換器產(chǎn)生的干擾信號頻譜一般在30 MHz以下，屬于近場(chǎng)干擾。差模傳導噪聲中能量最大的一般為DC—DC變換器主開(kāi)關(guān)頻率處的頻率分量，體現為輸出的電壓紋波；而共模傳導噪聲的頻率相對要高很多，主要由線(xiàn)路的寄生參數引起，體現為輸出的電壓尖峰。
通常DC—DC變換器輸出噪聲(包括電壓尖峰與紋波)為輸出電壓的1％，對于有特殊要求的DC—DC變換器，可以通過(guò)一些關(guān)鍵電路的設計來(lái)解決，如濾波電路、開(kāi)關(guān)器件的緩沖網(wǎng)絡(luò )設計、有源濾波電路的設計、甚至采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等。
由于航天應用的特殊要求，某些地面應用的器件不能在空間應用，例如容量比較大的鋁電解電容，由于不是密閉結構，因此不能在空間低氣壓條件下應用；而且空間應用要考慮失效模式的影響(FMEA)，且不能存在單點(diǎn)失效故障，因此電容器要串并聯(lián)使用，這樣會(huì )減小電容器的有效容值，增大等效串聯(lián)電阻(ESR)和電路設計的難度。

1 總體方案考慮
該航天器設備用的隔離式DC—DC變換器的主要技術(shù)指標見(jiàn)表1所示。

從表1可以看出：
(1)母線(xiàn)輸入電壓范圍在25～31 V，屬于低壓母線(xiàn)；
(2)輸出額定功率52 W，極限功率104 W；
(3)輸出電壓為130 V；
(4)額定輸出電流為0．4 A，極限輸出電流為0．8 A。
因此概括起來(lái)該DC—DC變換器屬于低壓母線(xiàn)輸入，中等輸出功率(電流)的高輸出高穩定DC—DC變換器。
從功率需求、輸出噪聲以及閉環(huán)穩定性方面綜合考慮，電路采用負載端直接采樣反饋、電流型控制方式的推挽變換拓撲。輸出濾波電路采用兩級濾波電路。其中第一級采用LC低通濾波器。LC濾波器具有陡峭的頻率響應，但是電感器件的非線(xiàn)性、分布電容的影響，使得實(shí)際設計的濾波器達不到理論上的性能，因此對于低噪聲要求，不能僅采用LC低通濾波器。第二級采用有源濾波器。有源濾波器是利用有源器件(集成放大器、射隨器等)組成的無(wú)感濾波器，可以組成低通、高通、帶通濾波器等。近年來(lái)有源電力濾波器(APF)在電力系統智能控制中的應用越來(lái)越廣泛，是一種新型的動(dòng)態(tài)抑制諧波和補償無(wú)功的電力電子裝置，較無(wú)源濾波器有更好的適應能力。通過(guò)改變其控制策略，能達到治理不同諧波源的要求。因此，對有源電力濾波器的研究已成為一大熱點(diǎn)，受到越來(lái)越多人的關(guān)注。
LC低通濾波器的截止頻率可以設計得較高，用于抑制較高頻率的電源噪聲。由于截止頻率較高，這樣濾波電感與電容元件參數值也不會(huì )太大，因此所需的濾波電感與電容元件的體積也較??；第二級的有源低通濾波器，用于抑制較低頻率的電源噪聲。由于采用了有源器件(MOS-FET管)，會(huì )對電源效率造成一定影響，從實(shí)驗結果來(lái)看，會(huì )使效率降低5％左右。

2 控制模式的選取
為了使輸出電壓穩壓PWM型開(kāi)關(guān)電源的負反饋控制信號可以是輸出電壓、輸出電流、輸入電壓(前饋)、輸出電感電壓以及開(kāi)關(guān)器件峰值電流等。根據反饋控制信號的不同，一般分為電壓型和電流型兩種開(kāi)關(guān)電源控制類(lèi)型，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2所示。

電壓型只對輸出電壓信號進(jìn)行采樣，實(shí)現閉環(huán)反饋控制，是一種單環(huán)控制方式，輸出電壓采樣反饋信號Vf和基準電壓信號Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號Ve，與固定鋸齒波信號比較后得到脈沖寬度調制信號對開(kāi)關(guān)功率管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現輸出電壓穩壓控制。
電流型控制又稱(chēng)峰值電流控制模式，是一種雙環(huán)控制。輸出電壓采樣反饋信號Vf再與基準電壓信號Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號Ve，再與輸出電感電流峰值三角波信號進(jìn)行比較得到PWM控制信號，對開(kāi)關(guān)功率管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現閉環(huán)反饋控制。
電流型控制是雙環(huán)控制系統，由開(kāi)關(guān)器件的峰值電流信號反饋的電流環(huán)(內環(huán))和輸出電壓信號反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級的電流環(huán)。電流內環(huán)負責輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。因此峰值電流控制模式要比電壓型控制模式有大得多的帶寬。
為了低噪聲要求，輸出端采用了兩級濾波器，為了閉環(huán)系統的穩定性，考慮采用電流型控制方式。