基于双路推挽谐振变换器I_V节点电源设计

文/范辉辉 文传勇

近年随着国家海洋强国建设的快速发展，进一步提升我国全球海洋观测能力越加重要，建立国家海洋立体监测系统已纳入十三五规划。因此海底观测网供电系统作为海底观测网的核心部分，其设计显得尤为重要，目前海底观测网远程供电系统主要分为交流供电，恒压直流供电以及恒流直流供电三种方式，本文在分析了海底光缆通信系统中供配电特点的基础上，针对远供恒流电源系统，提出了一种基于双路推挽LC谐振变换器的大功率CC/CV电源实现方案，并通过Pspice软件对该设计方案进行仿真验证，仿真结果验证了该方案的可行性。

1 海底光缆网络供电方式

海底光缆网络远程供电系统通常采用串联供电和并联供电两种供电方式，当采用串联供电方式时，海底节点设备等负载与海底光缆串接在一起，连接方式见图1，采用高压恒流的供电方式，当采用并联供电方式时，节点设备与海底光缆并联，岸基电源采用高压恒压供电方式，连接方式见图2。

如图1所示，海底节点设备供电电源将恒流母线上获取的电流转换为设备所需的恒定电压。

海底观测网远程供电系统采用恒流方式供电时，一旦供电回路有设备发生故障导致单线供电断开，由于采用双端供电的方式，自动重新形成两个独立供电回路，不会对其它正常工作设备供电造成影响，故障后供电线路结构如图3所示。

海底节点电源为CC/CV电源，故又称为I_V节点电源，I_V节点电源是水下设备必需的供电电源，数量众多，对其长期工作的可靠性要求高，目前针对大功率CC/CV变换器的研究较少，本文将对一种大功率I_V节点电源的设计方案进行详述。

图2：并联恒压供电方式

图3：远程供电故障后线路结构

图4：推挽LC谐振变换器电路原理图

图5：推挽LC谐振变换器等效电路

图6：推挽LC谐振变换器加入线路电阻等效电路

2 I_V节点电源设计方案

2.1 I_V电源主电路结构设计

海底光缆网络恒流供电方式的特殊性，导致输入电流被限制在一个较低的值，为实现大功率输出，需要将输入电压调制到一个较高的值，因此LC谐振电路是一种理想的变换方式，通过LC谐振既可以把输入电压升高，同时结合推挽电路也能够将输入单向直流转换为交变的电流，实现电源原、副边能量的传输，基本电路结构如图4所示。

图4为推挽LC谐振变器，与传统的恒压输入LC谐振不同，变换器输入为恒定直流，LC谐振频率fr计算公式如式（1）所示：

Cr：谐振电容

Lr：谐振电感

n： 变压器匝比

图7：双路推挽LC谐振变换器电路原理图

图5为推挽LC谐振变换器等效电路，输出侧电感、电容等效参数折算到输入侧，输入恒流源两端所产生的电压幅值由输出电压EO，谐振电感Lr，谐振电容Cr以及变压器匝比n决定，相关主要计算公式如下：

图8：控制原理框图

图9：主电路开关管驱动波形

图10：控制电路原理图

图11：I_V节点电源完整原理框图

式（6）为谐振电容两端输入电压计算公式，其中参数a，b由式（2）～式（5）所决定，当谐振参数确定后，Vcmax即为定值，每个谐振周期谐振电容所承受的电压幅值不变，因此需综合考虑谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器匝比n的值，使得在满足输出功率情况下，谐振电容两端电压值尽可能低。

图6为加入线路电阻后等效电路，输入恒流源两端所产生的电压Vi计算如式（7）。

恒流源输入电压幅值由输出电流、输出电压、变压器匝比和线路阻抗决定，输入电压幅度不能超出岸基供电电源承载能力。

单路推挽谐振电路带载能力有限，为提高输出功率，同时考虑水下电源长期工作的可靠性要求，本文提出了一种双路推挽谐振变换器结构，其电路原理图如图7所示。

如图7所示，双路推挽变换器主电路由两路推挽LC谐振变换器构成，两路变换器共用一个主变压器和输出整流滤波单元，开关管Q1和Q3，Q2和Q4同步工作。

图12：谐振电容Cr两端电压波形

2.2 主控制电路设计

电源控制原理框图如图8所示，控制系统主要有主控芯片、保护电路和驱动电路构成。

图9为主电路开关管Q1～Q4驱动电压波形，Q1与Q3，Q2与Q4同步工作，与传统控制方式不同，由于输入电源为恒定直流源，因此电路工作不能出现同时关断的时间，即死区时间，如图9阴影区间所示，推挽电路开关管存在同时导通区间，从而保证无论在哪种工作状态情况下，恒流供电主干线的回路始终保持导通。

按照双路推挽LC谐振电路驱动信号的需要，可选用TI公司专用谐振模式电源控制器UC3867,该芯片可选择恒导通时间或恒关断时间工作模式，控制原理简图如图10所示，反馈电压信号送入芯片误差放大器反相输入端，通过改变内部VCO振荡频率来改变输出信号频率，输出取反后通过变压器耦合实现多组开关管的同步驱动。

2.3 I_V节点电源系统结构设计

I_V节点电源系统结构框图如图11所示，完整电源系统由电源启动电路、辅助供电电路、控制保护电路、旁路Mos管控制电路及CC/CV电路构成。

其中CC/CV为双路推挽LC谐振电路，采用2+1的备份方式，每路模块输入侧加入旁路Mos管和隔离二极管，用于单模块的故障隔离以及输入侧的过压保护。

3 电源方案仿真验证

本文采用Pspcie软件对双路推挽谐振电源进行仿真验证，主要仿真参数设置如下：

开关频率：；

谐振频率：；

输出功率：。

主要仿真波形如图12。

图12为谐振电容Cr两端电压波形，通过推挽电路开关管工作频率及导通宽度的设置，可得到如图12所示波形，谐振电容两端电压为正弦半波。

图13(a),(b)为驱动信号与Vds电压波形，可以看到Mos管在开通和关断时刻，Vds电压为零，开关管为零电压开通和关断，极大的降低了开关损耗，提高了系统的转换效率。

推挽LC谐振电路在恒流源输入端产生一个正弦半波高压，如图14（a）所示，波动的电压波形会造成岸基供电电源处于震荡工作状态，不利于岸基供电电源的稳定工作，因此在电路最前端加入一级LC单元，将脉动的电压转换为稳定的直流电压，仿真波形如图14（b）所示。

I_V节点电源总体输入、输出功率仿真波形如图15所示，输入功率为2376W，输出功率为2170W，转换效率计算如下：

仿真波形未考虑变压器的实际磁芯损耗及铜耗，实际转换效率估计在85%左右。

图13：Mos管驱动信号与Vds电压波形

4 结语

本文分析了目前海底观测网远程供电系统线路结构以及恒流双端供电方式的优点，针对采用恒流方式供电的海底观测网供电系统I_V节点电源，提出了一种基于双路推挽LC谐振变换器的大功率CC/CV电源解决方案，并通过Pspice软件进行了仿真验证。