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DC-DC變換器的輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性

發(fā)布時間:2008-10-09 來源:本站原創(chuàng)

中心論題:

  • 利用DC-DC變換器來構(gòu)建分布式供電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。
  • 解決輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性的兩種方法。
  • 對RP的兩個限制條件的公式。
解決方案:
  • 輸入電源的源阻抗遠小于變換器的輸入阻抗防止輸入系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
  • 在DC-DC變換器的輸入端加一個大容量的電解電容提供一個正阻抗。
  • 在DC-DC變換器輸入端采用一個電感和一個電阻串聯(lián)來進行濾波。

引言
目前,許多大型電子設(shè)備都趨向于采用直流分布式供電結(jié)構(gòu),通過直流總線給多個DC-DC變換器進行供電,而變換器的輸出則直接供給各個負載。但是,利用DC-DC變換器來構(gòu)建分布式供電系統(tǒng)有一些關(guān)鍵問題需要解決,如輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題。如果措施不當,將損壞變換器甚至負載,造成巨大損失。

問題描述

當輸入電壓在一定范圍內(nèi)變化時,DC-DC變換器應該保持輸出電壓不變。在分布式供電系統(tǒng)中,直流輸入電壓不可能是穩(wěn)定不變的。因為直流總線上連接了多個DC-DC變換器,而且總線一般都很長,分布電感較大,所以總線電壓總是在不斷變化。假定DC-DC變換器帶一個恒功率負載,如果輸入電壓升高,則輸入電流會相應減少以維持恒功率;輸入電壓降低則輸入電流增加。換句話說,輸入電壓升高(或降低)會導致輸入電流減少(或增加),這使變換器在其輸入端看上去表現(xiàn)為一個負阻抗。負阻抗RN的大小由下式表示:(1)

其中,Vin為DC-DC變換器的輸入電壓;Iin為DC-DC變換器的輸入電流。

DC-DC變換器滿載輸出和輸入電壓最低時,負阻抗RN最小。以48V輸入、3.3V/30A輸出、效率為90%的DC-DC變換器為例,當輸入電壓為最小值36V時,滿載輸入電流為3A,RN=-12W;當輸入電壓為48V時,滿載輸入電流為2.3A,RN=-21W。

當DC-DC變換器輸入阻抗Zi表現(xiàn)為一個負阻抗時,將影響直流母線的阻抗,從而產(chǎn)生輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性,使變換器工作不正常、壽命縮短或損壞。

值得注意的是:僅在低頻時,DC-DC變換器輸入阻抗Zi才表現(xiàn)為一個負阻抗。當高頻時,其輸入阻抗由變換器內(nèi)部的濾波元件和反饋回路的帶寬決定。

解決輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性的方法

如何消除DC-DC變換器的負阻抗從而使分布式供電系統(tǒng)穩(wěn)定呢?許多文獻指出:為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,輸入電源的源阻抗(ZS)必須遠遠小于變換器的輸入阻抗(ZI)。如圖1所示。盡管| ZS | << | ZI |這個條件眾所周知,但是并不是輕易就能實現(xiàn)。有的DC-DC變換器生產(chǎn)廠家,如Vicor,對其生產(chǎn)的第二代模塊提出了|ZS|=|ZI|/10的設(shè)計要求。

本文采用正阻抗來進行補償,以消除負阻抗。以下提出兩種補償負阻抗的解決方法,使分布式系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

方法一
圖2是解決輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性的一種方法。在DC-DC變換器的輸入端加一個大容量的電解電容,利用電解電容的等效串聯(lián)阻抗(ESR)來提供一個正阻抗,以補償造成不穩(wěn)定的變換器輸入端負阻抗。圖中,濾波元件CBIG和RP代表電解電容及其等效串聯(lián)阻抗,L為濾波電感,C是變換器的輸入電容。

這種方法的優(yōu)點是濾波元件不消耗直流功率,電阻RP既不流過變換器的直流輸入電流,也不承受直流輸入電壓。
根據(jù)圖2,可列出一個三階方程式:
S3LCBIGCRP+S2L[CBIG(1-)+C]+S(-+RPCBIG)+1=0 (2)

使這個三階系統(tǒng)穩(wěn)定的必要但非充分條件是該方程式的系數(shù)具有相同的符號,即滿足下列三個約束條件:

RP<| RN | (1 +) (3)

RP> (4)

|RN|2> (5)

如果CBIG >> C,則這三個不等式將成為穩(wěn)定性的充分條件。一般要求CBIG至少比C大五倍。假定|RN|、L和C已知,則可選定合適容量和等效串聯(lián)阻抗的CBIG電容使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

以48V輸入、3.3V/30A輸出、效率為90%的變換器為例,|RN|的最小值為12W,假定L=10mH,C=6.6mF,則可取CBIG=33mF,可計算出使系統(tǒng)穩(wěn)定的RP的范圍為0.025W<RP<14.4W。一般電解電容的等效串聯(lián)阻抗值都位于這個范圍之內(nèi)。所以只要選取合適容量的電容即可使系統(tǒng)穩(wěn)定。

從另外一個角度來講,由于CBIG>>C,圖2所示的電路可從兩個頻率范圍來研究。高頻范圍時CBIG可看成短路,低頻范圍時C可看成開路。

在高頻范圍時RP與RN并聯(lián),為了獲得正阻抗,必須使RP < | RN |,這就是不等式3。

在低頻范圍時,系統(tǒng)變?yōu)槎A方程,系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為: RP>L/(CBIG| RN |),這就是不等式4。

方法二
圖3所示的是另外一種解決輸入系統(tǒng)不穩(wěn)定性的方法。在DC-DC變換器輸入端采用一個電感L和一個電阻RP串聯(lián)來進行濾波,電阻RP用來抵消變換器的負輸入阻抗RN,使系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定。

這個濾波器/變換器等效電路可由一個二階方程式來表示:

S2LC + S(- + RPC) + (1 -)=0 (6)

如果所有系數(shù)具有相同的符號,則這個方程式的極點將位于左半?yún)^(qū),因此可推導出對RP的兩個如下限制條件。

RP < (7)

RP > (8)

另外還可推導出另一個不等式:

| RN |2 >&am

 

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