雙向耦合電感DC-DC開關(guān)變換器與優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

徐玉珍，郭曉君，林維明

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108）

雙向耦合電感DC-DC開關(guān)變換器與優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

徐玉珍，郭曉君，林維明

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108）

本文詳細(xì)分析了雙向耦合電感DC-DC開關(guān)變換器電路拓?fù)涞墓ぷ髟砑捌潆娐诽匦?建立了該電路拓?fù)涞膿p耗模型，并對(duì)其中的耦合電感匝比λ進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過MATHCAD仿真軟件的分析和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)果驗(yàn)證，證明了文中所提出的雙向耦合電感DC-DC開關(guān)變換器電路拓?fù)涞目尚行院婉詈想姼性驯圈藘?yōu)化的正確性;該電路拓?fù)淇朔藗鹘y(tǒng)雙向BUCK/BOOST電路拓?fù)渥儞Q率較小的局限性，具有的更優(yōu)越的效率特性;合理選擇抽頭電感的匝比λ對(duì)抽頭電感雙向BUCK/BOOST具有重要意義。

耦合電感雙向直流開關(guān)變換器;損耗模型;高效率;匝比優(yōu)化

1 前言

為減小系統(tǒng)的體積重量，節(jié)約成本，在電池的充放電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、UPS系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)的場(chǎng)合，雙向DC-DC變換器獲得了廣泛的應(yīng)用［1-5］。多年來，隔離型中、大功率 BUCK和BOOST電路得到深入的研究［6-9］;傳統(tǒng)非隔離型的雙向DC-DC因無法實(shí)現(xiàn)寬輸入輸出變比，其應(yīng)用范圍受到限制。而在新型能源等應(yīng)用場(chǎng)合中，低壓側(cè)為低壓大電流，輸入輸出為寬變比，無需電氣隔離，采用非隔離型拓?fù)渚哂谐杀竞托蕛?yōu)勢(shì)。

為擴(kuò)大非隔離型雙向DC-DC的變比，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，本文將耦合電感引入到非隔離雙向DC-DC變換器，提出新型耦合電感雙向BUCK/BOOST電路(簡(jiǎn)稱為 TI-B-BUCK/BOOST(Tapped-Inductor Bi-directional BUCK/BOOST）），并對(duì)耦合電感匝比進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電壓變比拓寬和效率提升。

2 原理與特性

新型TI-B-BUCK/BOOST電路如圖1所示。

圖中VBUS為高壓直流母線電壓，VBAT為低壓側(cè)電池電壓，S1、S2為功率MOSFET，漏源反并超快恢復(fù)二極管D1、D2，電感L1的匝數(shù)為n1，L2的匝數(shù)為n2，匝比λ為(n1+n2）:n1。電路工作在充電或放電模式。

圖1 耦合電感雙向BUCK/BOOSTFig.1 Tapped-inductor bi-directional BUCK/BOOST

2.1 放電模式

該模式下，CCM模式時(shí)電路原理圖以及工作波形如圖2所示。

電路為耦合電感 BOOST，(簡(jiǎn)稱 TI-BOOST(Tapped-Inductor BOOST）），能量從 VBAT向 VBUS傳輸。在0至t0期間，S1開通，D2截止，VBAT通過S1給L1激磁，激磁電流iLm線性增加，負(fù)載電流由輸出C1提供;在t0至t1期間，S1關(guān)斷，續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，激磁電流iLm按照抽頭電感的匝比關(guān)系耦合成去磁電流 iL2，給負(fù)載和輸出電容提供能量。TI-BOOST的輸入與輸出電壓關(guān)系為:

圖2 TI-BOOST原理圖、工作波形Fig.2 Principle and waveform of TI-BOOST

2.2 充電模式

該模式下，CCM模式時(shí)電路原理圖以及工作波形如圖3所示。

電路為耦合電感同步整流BUCK，簡(jiǎn)稱TI-SRBUCK(Tapped-InductorSynchronousRectification BUCK）。能量從 VBUS流向 VBAT。0至 t0時(shí)，S2開通，S1關(guān)斷，VBUS通過S2對(duì)耦合電感激磁，同時(shí)向負(fù)載提供能量;t0至t1時(shí)，S1開通前，激磁電流iL2按照匝比關(guān)系耦合成去磁電流iLm，iLm通過D1續(xù)流;t1至t2時(shí)，S1開通后，D1上的電流轉(zhuǎn)移到S1，電流iLm通過VBAT、S1續(xù)流;t2至t3時(shí)，S1關(guān)斷，S2開通前，D1續(xù)流。TI-SR-BUCK輸入與輸出電壓關(guān)系為:

圖3 TI-SR-BUCK原理圖、工作波形Fig.3 Schamtic and waveform of TI-SR-BUCK

采用TI-SR-BUCK可以有效拓寬占空比D1，提升效率［10，11］。

3 損耗模型與匝比優(yōu)化選擇

本文以放電模式TI-BOOST為分析對(duì)象，建立損耗模型，并對(duì)抽頭電感的匝比λ進(jìn)行優(yōu)化選擇。

3.1 損耗模型

在硬開關(guān)的條件下，由MOSFET、二極管引起的損耗較大，磁元件的損耗較小，約為輸出功率的0.5%。本文將以功率器件的損耗總和作為衡量功率級(jí)電路效率的依據(jù)，比較 TI-BOOST與傳統(tǒng)BOOST的效率。

功率MOSFET的損耗分為導(dǎo)通損耗 Pson和 開關(guān)損耗Psw［12］。二極管D2的損耗由正向?qū)óa(chǎn)生的損耗PDon和反向恢復(fù)損耗PDrr兩部分組成。因此總損耗為:

3.2 抽頭匝比的優(yōu)化選擇

基于損耗模型，通過MATHCAD進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下:VBAT=2～4V，VBUS=24V，Io=0.2～3.2A，L1=30 μH，S1 為 IRF1405Z，D2 為MUR2020。仿真結(jié)果如圖4所示，λ=1時(shí)為傳統(tǒng)BOOST電路的損耗。當(dāng)輸入為3V保持不變，負(fù)載電流變化時(shí)損耗與匝比關(guān)系如圖4(a）所示，隨著匝比λ增加，功率半導(dǎo)體器件損耗先減小到最小值后再增加，當(dāng)大到一定值后，TI-BOOST的損耗將大于傳統(tǒng)BOOST的損耗;匝比λ取2～4時(shí)，TI-BOOST的功率器件總損耗最小，電路效率最高。在相同輸出，不同輸入電壓時(shí)如圖4(b），隨著匝比的增加，損耗先減小到最小值后，再開始逐漸增大，最后，大于λ=1時(shí)的損耗。當(dāng)匝比λ取2～4時(shí)，功率器件的總損耗最小，功率級(jí)電路效率最高。

圖4 基于損耗模型仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of power loss model

分析仿真結(jié)果可知，當(dāng)匝比從1開始增大時(shí)，占空比D1減小，開關(guān)管S1上電流有效值和峰值都增大，電壓應(yīng)力大大減小，S1上導(dǎo)通損耗增加，而開關(guān)損耗和輸出電容損耗不斷減少;在輸入負(fù)載電流不變時(shí)，D1上的導(dǎo)通損耗保持不變，其反向恢復(fù)損耗增加;匝比λ變小時(shí)，S1的開關(guān)損耗和輸出電容損耗的總減少量大于S1的導(dǎo)通損耗和D2反向恢復(fù)損耗的增加量，且損耗減少的速度大于增加的速度;當(dāng)匝比增加到2～4之間時(shí)，功率器件總損耗為最小值;隨著匝比進(jìn)一步增加，S1導(dǎo)通損耗和D1反向恢復(fù)損耗不斷增加，S1的開關(guān)損耗和輸出電容損耗不斷減少，但增加速度大于減小速度;當(dāng)匝比大到一定程度時(shí)后，S1的導(dǎo)通損耗和D1反向恢復(fù)損耗的增加量大于S1開關(guān)損耗和輸出電容損耗的總減少量，功率器件的總損耗將比傳統(tǒng)BOOST大。

通過以上分析，可以得出:在輸入輸出為大變比時(shí)，選擇合適的匝比，充電模式TI-BOOST電路的效率比傳統(tǒng)BOOST高;基于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)偶性耦合電感的相同作用機(jī)理，可得TI-B-BUCK/BOOST比傳統(tǒng)的雙向BUCK/BOOST具有更好效率;耦合電感匝比優(yōu)化選擇值為2～4。

4 樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

TI-B-BUCK/BOOST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)Lm=30 μH，VBAT=2～4V，VBUS=20～24V，最大功率 Pmax=60 W(Pmax:放電模式時(shí)為輸入功率，充電模式時(shí)為輸出功率）;樣機(jī)中選擇匝比 λ =1、2、3、4、5，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn);S1、S2選用 IRF1405z;D1、D2用MUR2020。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:

在硬開關(guān)條件下，測(cè)得的效率曲線如圖5所示，TI-B-BUCK/BOOST比傳統(tǒng)雙向BUCK/BOOST具有更高的效率。輕載時(shí)，兩者均具有良好的效率，但隨著負(fù)載的增加，兩者的效率均下降。充電模式如圖5(a），匝比為3時(shí)，效率最高，平均效率在85%以上，比傳統(tǒng)SR-BUCK平均提升了3.5%;匝比為2和4的效率相當(dāng)，均小于匝比為3時(shí)的效率，平均相差1%以上;匝比為5時(shí)，效率明顯變差，略高于傳統(tǒng)SR-BUCK。在放電模式下，如圖5(b），當(dāng)匝比為4時(shí)，具有最佳的效率，平均效率接近86%，比傳統(tǒng)BOOST提升4%。匝比為3，效率略小于最佳匝比時(shí)的效率。

圖5 不同匝比時(shí)TI-B-BUCK/BOOST效率Fig.5 Efficiency of TI-B-BUCK/BOOST in different turn ratio

實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論分析和仿真結(jié)果均一致，證明在大變比時(shí)，本文提出的耦合電感雙向BUCK/BOOST比傳統(tǒng)雙向BUCK/BOOST具有更高的效率;合理選擇抽頭電感的匝比λ對(duì)抽頭電感雙向BUCK/BOOST具有重要意義;基于損耗模型得到優(yōu)化匝比值2～4具有重要的理論和應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值。

5 結(jié)論

本文提出了耦合電感雙向BUCK/BOOST電路，克服了非隔離型雙向DC-DC變比小的不足，解決了非隔離型雙向DC-DC在大變比時(shí)效率低的問題;同時(shí)經(jīng)過耦合電感匝比優(yōu)化選擇，進(jìn)一步提升了TI-BBUCK/BOOST的效率。本文提出的電路拓?fù)湄S富了非隔離型雙向DC-DC拓?fù)漕愋?，可?yīng)用于無需隔離、大變比、低壓大電流、能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

References）:

［1］Doishita K，Hashiwaki M，Aoki T，et al.Highly reliable uninterruptible power supply using a bi-directional converter.［A］Telecommunications Energy Conference，INTGLEC’99［C］.1999.11-13.

［2］Huang-jen Chiu，Li-wei Lin.A bidirectional DC-DC converter for fuel cell［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2006，21(4）:950-958.

［3］Roberto M Schupbach，Juan C Balda，Matthew Zolot.Design methodology of a combined battery-ultracapacitor energy storage for vehicle power management［A］.IEEE PESC 2003［C］.2003.88-93.

［4］張濤，瞿文龍 (Zhang Tao，Qu Wenlong）.一種變壓器反極性連接的雙向DC-DC變換器 (A bi-directional DC/DC converter with opposed-polarity transformer）［J］.電工電能新技術(shù) (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆Energy），2008，27(4）:57-61.

［5］Henry Shu Hung Chung，Wai Leung Cheung，Tang K S.A ZCS bidirectional flyback DC/DC converter［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2004，19(6）:1426-1434.

［6］Sriram Chandrasekaran.Subsystem design in aircraft power distribution systems using optimization［D］.USA:Virginia Polytechnic Inst.and State Univ.，Sept.2000.

［7］Dehong Xu，Chuanhong Zhao，Haifeng Fan.A PWM plus phase-shift control bidirectional DC-DC converter. ［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2004，19(3）:666-675.

［8］張方華(Zhang Fanghua）.雙向DC-DC變換器的研究(Research on bi-directional DC-DC converter）［D］.南京:南京航天航空大學(xué) (Nanjing:NUAA），2005.

［9］許海平(Xu Haiping）.大功率雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分析理論研究 (High-power bi-directional DC-DC converter topology and analysis theory）［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院 (Beijing:Graduate School of CAS），2005.

［10］Darroman Y，F(xiàn)erre A.42-V/3-V Watkins-Johnson converter for automotive use［J］.IEEE Trans.on Power E-lectronics，2006，21(3）:592-602.

［11］Kaiwei Yao，Mao Ye，Ming Xu，et al.Tapped-inductor buck converter for high-step-down DC-DC conversion［J］.IEEE Trans.Power Electronics，2005，20(4）:775-780.

［12］黃俊來(Huang Junlai）..新型高效雙向DC-DC變換器及其控制策略研究 (New high-performance bi-directional DC-DC converter and its control strategy）［D］.福州:福州大學(xué) (Fuzhou:Fuzhou Univ.），2008.

Novel tapped-inductor bi-directional DC-DC converter and optimum design

XU Yu-zhen，GUO Xiao-jun，LIN Wei-ming
(College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

A novel tapped-inductor bi-directional(TI-B）DC-DC converters is analyzed in this paper，which can overcome the shortage of non-isolated bi-directional DC-DC(BDC）that its transfer ratio is restricted in a small range.This paper analyzes the principle and characteristics of TI-B-BUCK/BOOST in detail.Then，a power loss model of the new topology is established and the turn ratio of tapped-inductor is optimized.Simulation based on MATHCAD and the experiment on demo board testify that TI-B-BUCK/BOOST widely extends the transfer ratio of non-isolated BDC and its efficiency is much higher than conventional bi-directional BUCK/BOOST.

bi-directional DC-DC converters;dissipation model;efficiency improvement;turn ratio optimization

TM46

A

1003-3076(2010）03-0012-04

2009-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60572016）;福建省教育廳基金資助項(xiàng)目(JB07005）

徐玉珍(1975-），女，江西籍，講師，博士研究生，研究方向電力電子變流技術(shù);

林維明(1964-），男，福建籍，教授/博導(dǎo)，研究方向LED電源及其控制技術(shù)、電力電子變流技術(shù)。