可靠性高的单变压器多相控制功率合成SMPS

摘 要:主要探讨单、双管Forward Converter的并联电路和磁路。重点是讨论单一变压器的2相、4相双管Forward Converter并联电路和磁路的优势。
叙 词:双正激 单变压器 分时控制

1 引言
目前，电力、通讯、计算机、自动化控制设备，特别是便携式电脑仪器和消耗型产品，对体积小、重量轻、效率高、散热好、EMI小和可靠性高都有较严格要求。因此，效率高、EMI小和可靠性高成为一些设备和产品所追求的最首选的指标。
为了获得对输入侧功率因数、滤波、线路传输功率阻抗、输出侧工作频率、输出纹波和滤波器的优势，多路SMPS并联优于单路SMPS。单端式SMPS的功率合成（即并联）是指交流（或直流）输入侧和直流输出侧分别并联。利用单端SMPS并联实现功率合成，可实现占空比接近于1（输出较大功率），EMI小和避免主开关直通的问题的较高可靠性电源。而且这样独立的子单端系统并联，还不存在各路电路差异所带来的不平衡问题。因为它们每路都具有独立的开关控制器，被此开关控制器控制之下可做成有限能量控制[1]SMPS[2]，或有些电路结构就是具有有限能量输出（如Flyback）。多路单端Flyback的CVCC SMPS并联，就是一种简单易行的可靠性高的功率合成。最大输出功率可达到200W左右。
单端SMPS（同半桥、全桥电路相比）的优点：
①开关器件少，电路简单；
②不存在开关管直通问题，工作可靠性高。
③变压器单相工作，不存在电路不平衡造成的磁芯偏磁饱和问题。
不管是单端的，还是两端的SMPS并联方式，按触发脉冲出现的时间分为两种。一种是指每路SMPS主开关的触发脉冲是随机的，另一种是分时的。不管是单管的或双管的反激SMPS，还是正激SMPS，如果是2路（两相）SMPS的话，每路最大占空比<0.5。主开关的触发脉冲是分时电路同随机电路相比，具有很多优点：输出的纹波和频率，随着并联路数（或称相数）的增加不仅分别减少和增加，而且滤波器设计简单、效果佳。
2 两相控制的功率合成
单端式两路功率合成可以分为单管Flyback、单管Forwand和双管Forward Converter并联。
2.1 单管Flyback的功率合成
图1给出单管Forward Converter两路的功率合成SMPS的原理框图。

（a）主开关回路和输出回路 (b)控制波形和整流管输出波形
图1 两路单管Flyback Converter功率合成框图
便于分析输出变压器的储能放能过程的变换，使之简化均采用三磁柱EE型和EI型等磁芯。磁芯两侧柱均带有气隙，中心柱不带气隙。图1给出了变压器位置、绕制方向和极性，以及大小相等相位相差π的两主磁通和。这样一来就便于复位。在一周期内两侧磁芯柱，均激磁去磁各一次。两侧磁芯柱由于带有气隙，形成部分磁滞回环，不会饱和。只需仔细分析图1的主开关回路、输出回路、栅源控制电压波形和输出整流波形，它的电路工作原理和特点就很清楚了。
2.2 单管Forward的功率合成
图2给出两路单管Forward Converter功率合成SMPS的原理框图。从图2（a）给出的电路和磁路结构中可以看出：它与一般的两路单管Forward Converter很相近。（b）图中给出了Power MOS FET栅源电压、工作电压、原绕组电流、去磁绕组电流和输出电流波形。

（a）主开关回路和输出回路 （b）有关主要的电压和电流波形
图2 两路单管Forward Converter功率合成框图
一般来讲，磁路结构特点决定了主磁通（或）在左（或右）侧磁路上，通过磁通即使有，也很小。其感应电压值为×d/dt（或×d/dt）<E，它的方向与E极性相反。施加到（或）上电压为E-×d/dt（或E-×d/dt）。（或）是给感应电压×d/dt（或×d/dt）以通路的。
与通常的两单管Forward Converter并联电路相比，单一变压器两单管Forward Converter并联的SMPS具有以下优点：
①采用三磁柱的单一变压器；
②同使用同一输出绕组、整流器和输出滤波电路；
③原绕组距输出绕组较远，致使输出纹波更小。
为进一步改进单管Flyback Converter和Forward Converter主开关管耐压应为2E的不足，采用耐压只有电源电压E的双管Flyback Converter和双管Forward Converter。为输出较大功率重点讨论后者。
2.3 双管Forward的功率合成
图3给出了两双管Forward Converter的并联电路，它除继承了图2两单管Forward Converter并联电路优点之外，还使每只主开关管承受电压应力为电源电压E。这样一来，可使设计者有机会选用较小、功率较大的Power MOS FET。每路双管Forward Converter的去磁绕组被取消，由（或）绕组代替了。两双管Forward Converter的并联电路的不足之处，除了4只主开关管以外，还有4只续流二极管，但是为保证逆变器的可靠，有时这也是值的。

图3 两路双管Forward Converter 功率合成框图
3 多相控制的功率合成
为了进一步提高较大功率输出和保持两双管Forward Converter的优点（可靠性），均采用取相的双管Forward Converter并联电路。下面以4相（或称4路）的双管Forward Converter的并联电路为例，见图4。

（a）电路和磁路原理框图 （b）十字型（整体）磁芯的变压器断面（带绕组）
图4 4相双管Forward Converter 并联电路框图
在图4（a）电路和磁路原理框图中，给出了单一“十”字型磁芯变压器的并联电路。磁芯由带有各相主绕组-的四个侧磁柱和一个带有公共输出绕组W5的中心磁柱构成。绕组的绕向（正方向）和磁通的流径方向如图表示。、、、和四路双管Forward Converter和一个公共的输出绕组、整流器和滤波器构成了4相双管Forward Converter并联电路。图4并联电路最大占空比时的分时触发波形如图5所示。
图5 4相双管Forward Converter功率合成的最大占空比时的分时触发波形
由四个UU型磁芯单位体构成单一变压器代替图4（b）中十字型整体磁芯变压器，如图6所示。便于采用平面结构变压器（Philips）。它减少了磁路长度，便于散热和磁芯结构的平面化。由于磁芯结构平面化必然带来绕组结构的平面化，从而带动了对平面结构绕组的研究。

图6 四组单体UU型磁芯实现4相双管Forward Converter并联结构（M1-M4UU型单位磁芯）
4 结论
以上重点讨论了双管Forward Converter的两相及四相（以至六相、八相等）并联功率合成。它们具有以下优点：
①主开关管上电压应力为输入电源电压E；
②脉宽在调整过程中出现最大时不存在全桥、半桥电路主开关管直通问题，工作可靠性高；
③侧芯柱单向工作（设气隙），反而不存在电路不平衡造成的偏磁路问题（受电路不平衡影响，两双管Forward Converter并联电路的供电电压变化同两双管Forward Converter串联电路的供电电压变化相比较小，影响不大），工作可靠性高；
④磁芯中心柱激磁、去磁交替进行，保证不饱和（对于图3和图4电路、磁路结构）；⑤而对公共输出绕组、整流器而言，前激磁半周、后去磁半周均输出功率，从而提高二者利用率；
⑥在输出绕组上并联，实现了公用一套输出绕组、整流器和滤波电路。综上理由，单变压器的多相控制功率合成电路优于两双管Forward Converter输出电容侧并联电路和扼流圈侧并联电路[4]；
⑦热点不集中而分散，便于散热，这是由各单体电路、磁路分时分安装所致；
⑧容易实现印制变压器平面化、集成化和电路模块插件化，便于增减并联路数，实行m+1冗余；
⑨容易实现微机的电源控制和管理。
该电路结构的设想，虽是作者首先提出的，实现起来还需不断完善，还会有很多不妥之处，请多指点帮助。

参考文献
[1]谭信，高效能低功耗线性晶体管稳压电源，科学出版社1982年。
[2][日]长谷川，开关式稳压器的设计技术，P。132，科学出版社1989年。
[3]李爱文、张庆范、尹海，新型双单端正激式IGBT逆变电源的设计，电力电子技术，1996年第4期。
[4]冯瀚、徐德鸿，双管正激变换器交错并联的方法比较第13届全国电源技术年会论文集P。87，1999年11月。