開關(guān)電感雙管高增益直流變換器的設(shè)計(jì)

隋忠磊，鮑炯華，湯 雨

(1.上海天祥質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司，上海200233;2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016)

0 引言

高增益DC/DC變換器被廣泛地應(yīng)用在了光伏并網(wǎng)微逆變器、燃料電池供電系統(tǒng)中，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義［1-2］。雙管升壓結(jié)構(gòu)能夠有效的降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力，這對(duì)于提高變換效率是十分有益的［3-4］?？紤]到雙管升壓結(jié)構(gòu)的電壓增益十分有限，用開關(guān)電感［5］替換雙管升壓變換器的電感，得到開關(guān)電感雙管高增益直流變換器，該變換器具有電壓增益大，功率開關(guān)管電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力低的優(yōu)勢(shì)。論文從不同的參數(shù)對(duì)開關(guān)電感雙管高增益DC/DC變換器工作模態(tài)的影響入手，討論了變換器在電感大小一致和不一致條件下，不同的工作方式，分析了兩種方式下，變換器的電壓增益，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，給出了變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后通過200 W的樣機(jī)對(duì)理論分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 變換器拓?fù)浞治?/h2>

如圖1(a)所示為開關(guān)電感雙管高增益直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器的兩個(gè)開關(guān)管S1，S2開關(guān)信號(hào)一致，控制方法、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都較為簡(jiǎn)單。考慮到高增益DC/DC變換器用于光伏發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)合，DCM并不是推薦的工作模態(tài)，以下只分析CCM模式下變換器的工作原理，其工作模態(tài)如圖1(b)所示。

圖1 開關(guān)電感雙管高增益直流變換器及主要工作模態(tài)

1.1 電感參數(shù)一致時(shí)的工作模態(tài)分析

(1)模態(tài)1 ［t0，t1］在此階段中，開關(guān)管 S1、S2導(dǎo)通，電路中的電流流向如圖2(a)所示，4個(gè)相同大小的電感 L1a、L1b、L2a、L2b被并聯(lián)充電，負(fù)載側(cè)所需的能量由電容C提供。此時(shí)加載在電感L1a、L1b、L2a、L2b上的電壓為:

(2)模態(tài)2 ［t1，t2］在此階段中，開關(guān)管 S1、S2斷開，電路中的電流流向如圖 2(b)所示，L1a、L1b、L2a、L2b串聯(lián)放電，電容C被充電。根據(jù)KVL，此時(shí)加載在電感 L1a、L1b、L2a、L2b上的電壓為:

由電感電壓的伏秒平衡可知:

化簡(jiǎn)式(3)，得出拓?fù)涞碾妷涸鲆姹磉_(dá)式為:

圖2 電感參數(shù)一致時(shí)不同工作模態(tài)下變換器的等效電路

1.2 電感參數(shù)不一致時(shí)的工作模態(tài)分析

為了方便分析，這里假設(shè) L1a＜L1b＜L2a＜L2b。此時(shí)變換器工作可以分為圖3所示的5個(gè)模態(tài)，圖4為變換器工作的一些關(guān)鍵波形。

圖3 電感參數(shù)不一致時(shí)不同工作模態(tài)下變換器的等效電路

(1)模態(tài)1 ［t0，t1］在此階段中，開關(guān)管 S1、S2導(dǎo)通，電路中的電流流向如圖3(a)所示，4個(gè)電感L1a、L1b、L2a、L2b各自被輸入 Ui充電，負(fù)載側(cè)所需的能量由電容C提供。此時(shí)加載在電感 L1a、L1b、L2a、L2b上的電壓為:

(2)模態(tài)2 ［t1，t2］.在此階段中，開關(guān)管 S1，S2斷開，電路中的電流流向如圖3(b)所示，由于L1a＜L1b＜L2a＜ L2b，故 t1時(shí)刻有:

電感 L1b、L2a，L2b將被短路，由 L1a單獨(dú)釋放能量。iL1a以斜率(Uo-Ui)/L1a下降，iL1b、iL2a、iL2b保持不變，此時(shí)加載在各個(gè)電感上的電壓為:

圖4 電感參數(shù)不一致時(shí)變換器的一些關(guān)鍵波形

(3)模態(tài)3 ［t2，t3］在此階段中，電路中的電流流向如圖3(c)所示，t2時(shí)刻iL1a下降到iL1a(t1)=iL1b(t1)，D1b開始截止，L1a，L1b共同釋放能量，以斜率(Uo-Ui)/(L1a+L1b)下降，電感 L2a、L2b被短路，iL2a，iL2b保持不變，此時(shí)加載在各個(gè)電感上的電壓為:

(4)模態(tài)4 ［t3，t4］在此階段中，電路中的電流流向如圖3(d)所示，t3時(shí)刻 iL1a，iL1b下降到 iL1(t3)=iL1b(t3)=iL2a(t1)，D2a開始截止，L1a，L1b，L2a共同釋放能量，以斜率(Uo-Ui)/(L1a+L1b+L2a)下降，電感 L2b被短路，iL2b保持不變，此時(shí)加載在各個(gè)電感上的電壓為:

(5)模態(tài) 5 ［t4，t5］t5時(shí)刻 iL1a、iL1b、iL2a下降到 iL1a=iL1b=iL2a=iL2b，電路中的電流流向如圖3(e)所示，二極管 D2b開始截止，L1a、L1b、L2a、L2b串聯(lián)為負(fù)載提供能量。此時(shí)加在各個(gè)電感上的電壓為:

1.3 電感參數(shù)的一致性對(duì)變換器的影響1.3.1 變換器電壓增益

根據(jù)式(5)、(7)、(8)、(9)、(10)可知各個(gè)區(qū)間電感承受的電壓，運(yùn)用電感的伏秒平衡，可以得出電感參數(shù)不一致時(shí)變換器的增益:聯(lián)系式(4)，可見G’CCM=GCCM，即電感參數(shù)的一致與否，并不影響變換器的電壓增益。

1.3.2 開關(guān)管的電壓應(yīng)力

電感參數(shù)一致時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷期間，兩個(gè)開關(guān)管均分Ui+Uo，即MOS管的電壓應(yīng)力為:

而電感參數(shù)不一致時(shí)，由于部分電感被短路，兩個(gè)MOS管無法均壓，由圖3(b)、3(c)可知，開關(guān)管S2承受的最大電壓為U’S2=Uo，由圖3(e)可知，開關(guān)管 S1承受的最大電壓為

并且此分壓關(guān)系隨著電感間關(guān)系的不同而可能發(fā)生改變，例如:當(dāng) L1a＞L1b＞L2a＞L2b時(shí)，就有

對(duì)比式(12)、(13)可知，電感參數(shù)的不一致將會(huì)增大MOS管的電壓應(yīng)力。

1.3.3 輸出二極管的電壓應(yīng)力

電感參數(shù)一致時(shí)，由圖4(a)可知，開關(guān)管關(guān)斷期間，輸出二極管承受最大電壓，其電壓應(yīng)力為:

當(dāng)電感參數(shù)不一致時(shí)，由圖6(a)可知，輸出二極管承受最大電壓，其電壓應(yīng)力為:

根據(jù)式(14)、(15)可知，電感參數(shù)的一致與否不影響輸出二極管的電壓應(yīng)力。

1.3.4 開關(guān)電感結(jié)構(gòu)中二極管的電壓應(yīng)力

電感參數(shù)一致時(shí)，如圖4(a)所示，可知MOS管導(dǎo)通時(shí)，D1c，D2c承受最大電壓，其值為:

由圖 4(b)知，MOS 管斷開時(shí)，D1a，D1b，D2a，D2b均分Uo－Ui，其電壓應(yīng)力為:

而電感參數(shù)出現(xiàn)差異時(shí)，如圖4(a)所示，D1c、D2c的電壓應(yīng)力為:

MOS 管斷開時(shí)，如圖 4(b)、4(c)、4(d)、4(e)所示，D1a、D1b、D2a、D2b所承受的最大電壓分別為:

并且此關(guān)系隨著電感間關(guān)系的不同而可能發(fā)生改變，因此，變換器的二極管電壓應(yīng)力將變?yōu)?

電感參數(shù)的不一致，將會(huì)增大開關(guān)電感單元中Da、Db的電壓應(yīng)力，但不影響二極管Dc。

從以上分析可見，變換器電感參數(shù)的一致與否，并不影響變換器的電壓增益，但是電感參數(shù)的不一致，將會(huì)增大部分功率器件的電壓應(yīng)力。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

由前面的分析可見，電感參數(shù)的一致性對(duì)于減小變換器功率器件的電壓應(yīng)力有重要的意義，因此變換器的參數(shù)應(yīng)按照電感大小一致進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 電感的設(shè)計(jì)

設(shè)各個(gè)電感電流的平均值為IL，當(dāng)開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，流過開關(guān)電感單元L1、L2的電流平均值可表示為:

根據(jù)KCL，并化簡(jiǎn)可得:

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，可得:

令 ΔiL=KiIL，聯(lián)立式(4)、(13)、(14)并化簡(jiǎn):

2.2 開關(guān)管的選擇

MOSFET的電壓應(yīng)力已在式(12)中已經(jīng)給出。令ΔiL=KiIL，則MOSFET的電流有效值可表示為:

2.3 二極管的選擇

輸出側(cè)二極管的通態(tài)平均電流即為輸出電流Io。開關(guān)電感結(jié)構(gòu)中二極管D1c、D2c的電壓應(yīng)力已在式(17)中給出，D1c、D2c的通態(tài)平均電流為:

開關(guān)電感結(jié)構(gòu)中二極管 D1a、D1b、D2a、D2b的電壓應(yīng)力已在式(18)中給出，D1a、D1b、D2a、D2b的通態(tài)平均電流為:

2.4 與單管開關(guān)電感變換器的比較

與文獻(xiàn)［5］提出的單管開關(guān)電感變換器相比雙管開關(guān)電感變換器具有電壓增益高，開關(guān)管電壓應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)。

表1為文獻(xiàn)［5］提出的變換器和本文提出的變換器性能的對(duì)比。

表1 兩種變換器性能的對(duì)比

3 仿真驗(yàn)證

圖5顯示了在30 V輸入電壓下仿真的結(jié)果，圖5(a)顯示了在相同電感值(為500 μH)下輸入電壓Ui波形，輸出電壓Uo波形，電感電流波形和開關(guān)管電壓波形，這種情況下不同電感的電流相同，兩個(gè)開關(guān)管電壓應(yīng)力相同。圖5(b)顯示了在不同電感值下的波形(L1a＜L1b＜L2a＜L2b)。如圖5所示，當(dāng)電感值不同時(shí)電感電流不一致，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管電壓應(yīng)力升高，性能下降。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，對(duì)開關(guān)電感雙管高增益DC/DC變換器在電感參數(shù)一致時(shí)的CCM工作模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的條件為:輸入電壓Ui為30 V，輸出電壓為200 V，輸出功率為200 W，工作頻率50 kHz，L1a=L1b=L2a=L2b=500 μH，變換器在30 V輸入條件下的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

圖5 仿真結(jié)果

圖6(a)為占空比控制信號(hào)Ugs，MOS管的漏源電壓US1、US2的波形，與理論計(jì)算值115 V相接近;圖6(b)為占空比信號(hào)Ugs和電感電流iL1、iL2的波形，電感電流平均值與理論值2.42 A相近;圖6(c)為占空比信號(hào)Ugs，二極管D1a、D1c所承受的反向電壓波形，D1a所承受的反向電壓與理論計(jì)算值42.5 V相接近，而D1c所承受的反向電壓與理論計(jì)算值30 V近似相等。

圖6 30 V輸入電壓下的實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文分析了一種基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器，該變換器具有較高的電壓增益，較低的功率器件電壓應(yīng)力。文章詳細(xì)地分析了電路工作原理，討論了功率器件的電壓應(yīng)力。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)200 W原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致。

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