磁集成式雙向DC/DC變換器的DCM模式分析

楊玉崗，劉儉佳，李濤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧葫蘆島 125105)

磁集成式雙向DC/DC變換器的DCM模式分析

楊玉崗，劉儉佳，李濤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧葫蘆島 125105)

現(xiàn)有的關(guān)于雙向DC/DC變換器的研究大多是分析在continuous current mode(CCM)的工作模式，而雙向DC/DC變換器的discontinuous current mode(DCM)的工作模式少有人研究。然而，DCM模式被廣泛應(yīng)用在雙向DC/DC變換器中，而且輕載時(shí)變換器的效率對(duì)延長(zhǎng)裝置的使用壽命至關(guān)重要。詳細(xì)分析了雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的DCM工作模式，此分析方法也可以擴(kuò)展到N相雙向DC/DC變換器?？刂泼}沖由TMS320F2812產(chǎn)生，閉環(huán)控制采用誤差動(dòng)作影響小、增量式與最近采樣值無關(guān)和進(jìn)行切換時(shí)，沖擊較小的增量式PI算法，這樣可以使輸出電壓和電流更加穩(wěn)定。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

雙向DC/DC變換器；DCM模式；TMS320F2812；增量式PI

現(xiàn)代日常生活中，人們時(shí)時(shí)刻刻都在用移動(dòng)電話和筆記本電腦等數(shù)字化裝置。在這些裝置中，它們的正常使用都離不開電源，然而電源(雙向DC/DC變換器)的使用壽命是一個(gè)很嚴(yán)峻的問題[1-2]。這些裝置大多數(shù)時(shí)間工作在低功耗待機(jī)模式，所以提高它們?cè)谳p載時(shí)的效率能夠極大地延長(zhǎng)這些裝置的使用壽命。這些裝置工作在低功耗待機(jī)模式時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在DCM模式，因此，研究變換器在DCM模式下的工作狀態(tài)對(duì)提高電源的效率和使用壽命至關(guān)重要。此外，現(xiàn)在系統(tǒng)中的控制方法大多采用對(duì)外界干擾具有很強(qiáng)抑制作用的數(shù)字控制。但是，目前的文獻(xiàn)中沒有詳細(xì)地分析雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的DCM工作模式。因此，本文以此為主線，詳細(xì)分析了雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的DCM模式，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的基本原理

三通道Buck+Boost交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三通道交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)三相耦合電感是對(duì)稱的，并且是反向耦合的，則其電壓方程為：

2 交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的DCM工作模式分析

當(dāng)變換器的負(fù)載電流逐漸減小的時(shí)候，變換器會(huì)慢慢由CCM模式進(jìn)入到DCM工作模式。以下內(nèi)容將詳細(xì)分析交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)的DCM工作模式。變換器DCM工作模式的分析方法也可以擴(kuò)展到任意相變換器。圖2為交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)在CCM(電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式)、Critical(電感電流臨界導(dǎo)通工作模式)和DCM(電感電流斷續(xù)導(dǎo)通模式)工作模式下的相電流波形。為了簡(jiǎn)化分析，變換器中的開關(guān)管脈沖采用恒定的導(dǎo)通時(shí)間控制。從圖2可以看出，總共有3種DCM模式，它們分別是DCM模式1，DCM模式2和DCM模式3，下文中遇到時(shí)簡(jiǎn)稱為DCM1、DCM2和DCM3。

圖2 不同負(fù)載條件下的三相耦合電感Buck變換器的相電流波形

2.1 DCM模式1的分析

當(dāng)變換器工作在DCM1模式的時(shí)候，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有一次為0。DCM1模式下變換器的主要波形如圖3所示。對(duì)圖3進(jìn)行詳細(xì)分析：

圖3 DCM1模式下的Buck變換器的主要波形

圖4 電感電壓1、電流和相電流的波形

根據(jù)電感的伏秒平衡原理和電容的充放電原理有如下表達(dá)式：

2.2 DCM模式2的分析

當(dāng)變換器工作在DCM模式2下，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有兩次為0。此時(shí)的分析方法與DCM模式1相同，最后得到三相耦合電感Buck變換器在DCM模式2下0/in的關(guān)系如式(15)所示：

圖5 DCM1下與耦合系數(shù)α和開關(guān)頻率的關(guān)系

2.3 DCM模式3的分析

當(dāng)變換器工作在DCM模式3時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有三次為0，分析方法與DCM1和DCM2相同，最后得到三相耦合電感Buck變換器在DCM模式2下0/in的關(guān)系如式(16)所示：

對(duì)比式(14)、(15)和(16)我們可以看到交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Buck工作模態(tài)在DCM1、DCM2和DCM3三種模式下的0/in和s的關(guān)系是相同的，DCM模式下穩(wěn)態(tài)電感的表達(dá)式如式(17)所示：

對(duì)比式(19)、(20)、(21)、(22)，我們可以發(fā)現(xiàn)三相耦合電感和非耦合電感Buck變換器在DCM模式下的0/in和s的關(guān)系是類似的，除了ss和nc的不同。

表1 PA1313NL三相耦合電感器的參數(shù)

3 CCM模式下與DCM模式下占空比分析

圖6 三相耦合電感Buck變換器在DCM模式下0/in、s和α的關(guān)系

從以上的分析可以看出，三相耦合電感Buck變換器和三相非耦合電感Buck變換器在DCM模式下的0/in的表達(dá)式很相似。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 DCM模式1

圖9 DCM模式2

圖10 DCM模式3

從圖8、圖9和圖10可以看出，實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形結(jié)果完全一致，證明了理論分析的正確性。

5 結(jié)論

首次分析了三相耦合電感Buck變換器的三種DCM工作模式：DCM1、DCM2和DCM3。在DCM1模式下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有一次為零。在DCM2模式下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有兩次為零。在DCM3模式下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相電流有三次為零。并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

[1]DONG Y,SUN J,XU M,et al.The light-load issue of coupledinductor laptop voltage regulators and its solutions[C]//Proceedings of IEEE APEC.US:IEEE,2007:1581-1587.

[2]CHOE G Y,KIM J S,KANG H S,et al.An optimal design methodology of an interleaved boost converter for fuel cell applications [J].Journal of Electrical Engineering&Technology,2010(2):319-328.

Analysis mode of interleaving magnetic integration of bidirectional DC/DC converter

YANG Yu-gang,LIU Jian-jia,LI Tao

The continuous current mode(CCM)operation of the bidirectional DC/DC converter was the main study point.But the discontinuous current mode(DCM)operation of the bidirectional DC/DC converter was seldom studied. However,DCM was widely used in bidirectional DC/DC converter and its efficiency was crucial to this device.The DCM mode of the bidirectional DC/DC converter was deeply analyzed.This method could also be applied to the N-phase converter with coupled inductors.Control signal was given by TMS320F2812,and the little increment PI method was impacted.Then the output voltage was lower and steadier.Finally,the theory was verified by the simulating and experiment.

bidirectional DC/DC converter;DCM mode;TMS320F2812;increment PI

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0333-04

2013-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177067)；遼寧省自然科學(xué)基金(20102092)

楊玉崗(1967—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其磁集成技術(shù)。