高效率高功率密度通信模塊電源技術的研究.pdf

1、分布式電源系統(tǒng)因其設計周期短，各負載之間的影響小，維護方便等優(yōu)點已成為目前通信電源系統(tǒng)的主流。中間母線結構是目前應用最廣泛的分布式電源系統(tǒng)結構，它由前端變換器、中間母線變換器以及負載點變換器等組成。前端變換器將交流輸入變換成48V直流，中間母線變換器將48V變換成12V并實現(xiàn)電氣隔離，負載點變換器將12V變換成負載所需要的電壓。本文重點討論后兩者的設計。
　　 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷供電，48V母線上通常會并聯(lián)備份電池。而電池的引

2、入，要求中間母線變換器能在較寬的輸入電壓范圍工作，而在絕大多數(shù)時間內(nèi)，中間母線變換器工作在額定輸入電壓，因此此時的效率尤為關鍵。本文提出一種應力系數(shù)分析法，對工作于不同輸入電壓范圍的全橋變換器進行對比分析和實驗驗證，結果表明寬輸入電壓范圍增大了變換器的元器件應力，降低了變換效率，其中影響最大的就是磁性元件。為了在寬輸入范圍提高中間母線變換器的效率，本文提出一種兩級式結構的中間母線變換器，即前級采用四開關Buck-Boost（FSBB）變

3、換器，將寬輸入電壓范圍變換成一個窄電壓范圍或恒定電壓，后級采用隔離型全橋變換器實現(xiàn)大幅降壓和電氣隔離。FSBB具有升降壓功能、結構簡單、開關管電壓應力低、具有直接功率通路等優(yōu)點，同時它還存在兩個控制自由度，為提高變換器效率提供了可能性。
　　 變換器的功率變換過程包括直接功率傳遞方式和間接功率傳遞方式，提高直接功率比重有利于提高變換效率。為了提高FSBB的直接功率比重，本文提出了兩種三模式控制策略。一種是粗調(diào)節(jié)方法，此時FSBB

4、的輸出電壓有一個較小的變化范圍，后級全橋變換器將其變換為穩(wěn)定的電壓；另一種是精調(diào)節(jié)方法，此時FSBB的輸出電壓精確調(diào)節(jié)，后級全橋變換器采用滿占空比開環(huán)控制。
　　 在三模式粗調(diào)節(jié)控制策略中，將輸入電壓分為三個區(qū)域，F(xiàn)SBB分別工作在升壓、濾波和降壓模式，其中濾波模式所對應的輸入電壓區(qū)域位于升壓和降壓模式對應的輸入電壓區(qū)域之間，以避免升壓和降壓兩種模式在其切換點之間的頻繁切換。在濾波模式時，F(xiàn)SBB的Buck單元的主控管一直導通，

5、Boost單元的主控管一直截止，因此其輸出電壓等于輸入電壓，這樣導致輸出電壓在此區(qū)域內(nèi)有一個較小的變化范圍。根據(jù)這一特點，本文提出了一種升壓和降壓兩種模式下的輸出電壓設置方法，以保證變換器工作模式之間的平滑切換。實驗結果表明，該控制策略可以實現(xiàn)FSBB在全輸入電壓范圍內(nèi)的高效率，并且額定輸入時效率最高。
　　 與三模式粗調(diào)節(jié)控制策略相似，在三模式精調(diào)節(jié)控制策略中，F(xiàn)SBB也工作在三種工作模式，不同的是，中間區(qū)域的工作模式為升降壓

6、模式，替代了原來的濾波模式，這樣在此區(qū)域內(nèi)也可對輸出電壓精確調(diào)節(jié)。為了提高直接功率比重，本文提出兩沿調(diào)制（TEM）策略，其中Buck單元采用后沿PWM，而Boost單元采用前沿PWM。在升降壓模式下，為了進一步提高直接功率比重，Buck單元工作在固定最大占空比Dm，此時調(diào)節(jié)Boost單元的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。考慮升降壓模式時電感電流脈動小，而四只開關管均高頻工作這個特點，在保證電感電流脈動不超過其他兩種工作模式的前提下，將開關頻率降低

7、，以大大減小開關損耗，提高變換效率。由于有兩種開關頻率，兩種PWM方法，因此稱該方法三模式雙頻TEM控制策略。該控制策略同樣實現(xiàn)了全輸入電壓范圍的高效率和額定輸入時的效率最優(yōu)。
　　 由于FSBB存在多個工作模式，并且在精調(diào)節(jié)控制策略中還存在兩種開關頻率，這使得兩級式IBC系統(tǒng)的控制設計難度大幅增加。本文對FSBB在各種工作模式下的輸出阻抗和全橋變換器的輸入阻抗特性進行分析，結合阻抗比穩(wěn)定判據(jù)，推導出控制系統(tǒng)環(huán)路設計的準則。針對

8、FSBB工作于濾波模式時輸出阻抗上凸得不到抑制的問題，從減小損耗的角度提出改進的阻尼電路設計。論文對所提出的控制系統(tǒng)環(huán)路設計和阻尼電路設計進行了實驗驗證，實驗結果表明所提出的設計方法是有效的。
　　 負載點變換器(POL)直接給負載供電，除了要求高效率、高功率密度外，還要有快速動態(tài)響應性能和低的輸出紋波電壓，這與濾波器的設計密切相關。論文對濾波器的設計進行了討論，在對POL的損耗分析的基礎上，本文提出損耗最小化的輸出電感設計方法