一种低噪高输出电压DC―DC变换器设计

摘要：针对某航天器设备用的130 V高压DC—DC变换器的低噪声要求，采用初级侧隔离的负载端直接反馈控制方式，次级侧采用结合LC低通无源滤波电路和有源滤波电路的两级输出滤波电路设计方法。通过实验，不仅实现了高压DC-DC变换器的低噪声输出，而且通过优化设计，使得两级滤波器的体积较小，可靠性较高，实现了星载应用。
关键词：低噪声；有源滤波；高输出电压；DC—DC变换器

0 引言
某航天器设备需应用一种输入电压28 V、输出电压130 V的隔离式DC—DC变换器，因为该设备的控制精度要求高，因此对DC—DC变换器的输出噪声有严格的要求。深入分析该设备系统的工作状态，设计影响其正常工作干扰来自于DC—DC变换器的传导干扰，分为差模传导噪声和共模传导噪声。
DC—DC变换器产生的干扰信号频谱一般在30 MHz以下，属于近场干扰。差模传导噪声中能量最大的一般为DC—DC变换器主开关频率处的频率分量，体现为输出的电压纹波；而共模传导噪声的频率相对要高很多，主要由线路的寄生参数引起，体现为输出的电压尖峰。
通常DC—DC变换器输出噪声(包括电压尖峰与纹波)为输出电压的1％，对于有特殊要求的DC—DC变换器，可以通过一些关键电路的设计来解决，如滤波电路、开关器件的缓冲网络设计、有源滤波电路的设计、甚至采用软开关技术等。
由于航天应用的特殊要求，某些地面应用的器件不能在空间应用，例如容量比较大的铝电解电容，由于不是密闭结构，因此不能在空间低气压条件下应用；而且空间应用要考虑失效模式的影响(FMEA)，且不能存在单点失效故障，因此电容器要串并联使用，这样会减小电容器的有效容值，增大等效串联电阻(ESR)和电路设计的难度。

1 总体方案考虑
该航天器设备用的隔离式DC—DC变换器的主要技术指标见表1所示。

从表1可以看出：
(1)母线输入电压范围在25～31 V，属于低压母线；
(2)输出额定功率52 W，极限功率104 W；
(3)输出电压为130 V；
(4)额定输出电流为0．4 A，极限输出电流为0．8 A。
因此概括起来该DC—DC变换器属于低压母线输入，中等输出功率(电流)的高输出高稳定DC—DC变换器。
从功率需求、输出噪声以及闭环稳定性方面综合考虑，电路采用负载端直接采样反馈、电流型控制方式的推挽变换拓扑。输出滤波电路采用两级滤波电路。其中第一级采用LC低通滤波器。LC滤波器具有陡峭的频率响应，但是电感器件的非线性、分布电容的影响，使得实际设计的滤波器达不到理论上的性能，因此对于低噪声要求，不能仅采用LC低通滤波器。第二级采用有源滤波器。有源滤波器是利用有源器件(集成放大器、射随器等)组成的无感滤波器，可以组成低通、高通、带通滤波器等。近年来有源电力滤波器(APF)在电力系统智能控制中的应用越来越广泛，是一种新型的动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，较无源滤波器有更好的适应能力。通过改变其控制策略，能达到治理不同谐波源的要求。因此，对有源电力滤波器的研究已成为一大热点，受到越来越多人的关注。
LC低通滤波器的截止频率可以设计得较高，用于抑制较高频率的电源噪声。由于截止频率较高，这样滤波电感与电容元件参数值也不会太大，因此所需的滤波电感与电容元件的体积也较小；第二级的有源低通滤波器，用于抑制较低频率的电源噪声。由于采用了有源器件(MOS-FET管)，会对电源效率造成一定影响，从实验结果来看，会使效率降低5％左右。

2 控制模式的选取
为了使输出电压稳压PWM型开关电源的负反馈控制信号可以是输出电压、输出电流、输入电压(前馈)、输出电感电压以及开关器件峰值电流等。根据反馈控制信号的不同，一般分为电压型和电流型两种开关电源控制类型，其优缺点见表2所示。

电压型只对输出电压信号进行采样，实现闭环反馈控制，是一种单环控制方式，输出电压采样反馈信号Vf和基准电压信号Vref进行比较得到误差控制信号Ve，与固定锯齿波信号比较后得到脉冲宽度调制信号对开关功率管进行开关控制，实现输出电压稳压控制。
电流型控制又称峰值电流控制模式，是一种双环控制。输出电压采样反馈信号Vf再与基准电压信号Vref进行比较得到误差控制信号Ve，再与输出电感电流峰值三角波信号进行比较得到PWM控制信号，对开关功率管进行开关控制，实现闭环反馈控制。
电流型控制是双环控制系统，由开关器件的峰值电流信号反馈的电流环(内环)和输出电压信号反馈的电压环(外环)构成。功率变换部分是由电流环控制的电流源，电压外环控制功率级的电流环。电流内环负责输出电感的动态变化，而电压外环只需控制输出电容。因此峰值电流控制模式要比电压型控制模式有大得多的带宽。
为了低噪声要求，输出端采用了两级滤波器，为了闭环系统的稳定性，考虑采用电流型控制方式。