基于開關(guān)電容的三端口DC-DC變換器

馬圣全，潘庭龍

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122）

基于開關(guān)電容的三端口DC-DC變換器

馬圣全，潘庭龍

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122）

三端口直流變換器（TPC）應(yīng)用于新能源供電系統(tǒng)與電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)，可將系統(tǒng)中原有的多個(gè)單向和雙向直流變換器在電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)合并，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)TPC的分類和組成規(guī)則構(gòu)建一族含有開關(guān)電容、自舉電路、BUCK、BOOST電路的高壓比三端口直流變換器。形成的新型三端口變換器具有壓比高、結(jié)構(gòu)靈活、調(diào)壓范圍廣等特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用在新能源發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)中。最后對(duì)提出的新拓?fù)溥M(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

三端口；開關(guān)電容；自舉電路；高壓比；BUCK、BOOST電路

引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)［1-3］。太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)和隨環(huán)境條件變化等缺點(diǎn)，獨(dú)立運(yùn)行的新能源發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池等儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能，以滿足用電負(fù)載對(duì)供電連續(xù)性和平穩(wěn)性的要求。

典型的包含儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的新能源獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)由單向DC/DC、雙向DC/DC變換器和變壓器構(gòu)成，其變換器分散控制，體積重量大；系統(tǒng)中存在多級(jí)功率變換，效率較低［4］。三端口變換器TPC（three-port DC/DC converter）是隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展而提出的一類新型變換器，通過一個(gè)變換器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低體積成本等優(yōu)點(diǎn)。TPC的概念從提出至今獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，通過對(duì)其拓?fù)?、調(diào)制和功率管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究［5-6］，將其應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、混合動(dòng)力汽和航天衛(wèi)星供電系統(tǒng)等領(lǐng)域。TPC拓?fù)淇煞譃楦綦x型和非隔型離兩類，隔離型可實(shí)現(xiàn)高壓比電壓變換，但是體積大、效率低、電磁干擾嚴(yán)重；非隔離TPC由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需使用變壓器、變換效率高等特點(diǎn)而更具有優(yōu)勢(shì)［7-8］，但是一般電壓變換比較低，在當(dāng)前新能源供電系統(tǒng)中隔離型TPC應(yīng)用較為廣泛。

本文提出的基本開關(guān)電容的三端口DC/DC變換器為非隔離型TPC，具有高壓比變換特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用到新能源供電系統(tǒng)中。開關(guān)電容和自舉電路都是可實(shí)現(xiàn)高壓比變換的非隔離型電路，具有集成度高、電磁干擾小、效率高的優(yōu)點(diǎn)［9］。本文根據(jù)三端口DC/DC變換器組成規(guī)則提出將開關(guān)電容和自舉電路融入非隔離型三端口DC/DC變換器中，構(gòu)成一族可實(shí)現(xiàn)高壓比變換、大范圍調(diào)壓的非隔離型三端口DC/DC變換器。形成的新型三端口直流變換器具有端口獨(dú)立性高、電路利用效率高、壓比高、結(jié)構(gòu)靈活、調(diào)壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1 新型三端口DC-DC變換器拓?fù)?/h2>

1.1 基本拓?fù)?/p>

自舉電路和開關(guān)電容升壓電路都是通過對(duì)電感或電容并聯(lián)充電串聯(lián)放電來達(dá)到升壓目的，根據(jù)電感和電容的充放電規(guī)則，每一個(gè)或幾個(gè)相鄰的元件可以作為一個(gè)端口來工作，來形成三端口變換電路。

根據(jù)三端口DC/DC變換器的構(gòu)成規(guī)則，構(gòu)成如圖1所示的三端口DC/DC變換器。圖1中電容C2和電感L2兩個(gè)元件并聯(lián)充電、串聯(lián)放電構(gòu)成一個(gè)自舉升壓電路，蓄電池UB和主電源UA作為一個(gè)輸入端口，R0為輸出端。

圖1 新型三端口DC-DC變換器拓?fù)銯ig.1 New three-prot DC-DC converter topology

輸入端UA為主電源，UB為蓄電池，且電壓UA＞UB，負(fù)載R0為輸出端。電路分為5種工作模式：

①主電源單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電；②蓄電池單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電；③主電源和蓄電池共同對(duì)負(fù)載供電；④主電源對(duì)蓄電池和負(fù)載供電；⑤主電源對(duì)蓄電池供電。

模式1：

主電源單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電電路如圖2所示，圖中開關(guān)S1導(dǎo)通后一直處于閉合狀態(tài)，直到工作結(jié)束。因?yàn)閁A＞UB，二極管D2、D4處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)開關(guān)S3導(dǎo)通時(shí)，主電源UA對(duì)電容C2、電感L2并聯(lián)充電，忽略二極管壓降則有

圖2 工作模式1Fig.2 Working mode 1

電感L3的作用是只是防止電容C2瞬間充電電流過大，進(jìn)而減小開關(guān)S3瞬間導(dǎo)通電流，所以電感L3非常小，根據(jù)電感伏秒平衡原理可知，電容C2最終充電電壓受電感L3的影響很小。設(shè)開關(guān)周期為T，占空比為k，在kT時(shí)刻，開關(guān)S3由開通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，電容充電后電壓UC2約為UA。在（1-k）T時(shí)間內(nèi)，主電源UA、C2、L2三者串聯(lián)對(duì)負(fù)載供電，則輸出電壓U0為

可得輸出電壓為

拓?fù)淝度腴_關(guān)電容電路可以提高C2、L2的充電電壓，并進(jìn)一步提高變壓比，在下文中我們將討論到。

模式2：

蓄電池UB單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電電路如圖3所示，開關(guān)S1一直處于斷開狀態(tài)。在開關(guān)S3導(dǎo)通時(shí)間段kT內(nèi)，蓄電池UB對(duì)電容C2、L2并聯(lián)充電；在開關(guān)S3斷開時(shí)間段（1-k）T內(nèi)，蓄電池UB、C2、L2三者串聯(lián)對(duì)負(fù)載供電。

圖3 工作模式2Fig.3 Working mode 2

根據(jù)模式（1）推導(dǎo)可知，忽略二極管導(dǎo)通壓降和元件內(nèi)阻，理想情況下輸出電壓為

蓄電池電壓UB略小于主電源電壓UA，所以調(diào)整占空比k的大小即可滿足負(fù)載電壓需求。

模式3：

在新能源發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)中，隨著環(huán)境變化，當(dāng)主電源輸出功率不能持續(xù)滿足負(fù)載需求時(shí)，需要主電源和蓄電池共同對(duì)負(fù)載供電，如圖4所示，分為2種供電方法。

圖4 工作模式3Fig.4 Working mode 3

方法1：開關(guān)S1、S3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。在開關(guān)S1、S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間段kT內(nèi)，主電源UA對(duì)電容C2和電感L2充電，蓄電池UB不工作；在開關(guān)S1、S3同時(shí)關(guān)斷時(shí)間段（1-k）T內(nèi)，蓄電池UB、串聯(lián)電容C2和電感L2對(duì)C3和負(fù)載Ro供電，主電源UA不工作。理想情況下，輸出電壓為

根據(jù)模式1相關(guān)推理，可得輸出電壓和功率分別為

則主電源和蓄電池之間能量分配PA/PB為

方法2：開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)S3關(guān)斷，開關(guān)S1關(guān)斷時(shí)S3導(dǎo)通。開關(guān)S3導(dǎo)通時(shí)間段kT內(nèi)，蓄電池UB對(duì)電容C2和電感L2充電，主電源不工作；開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)間段 （1-k）T內(nèi)，主電源UA串聯(lián)電容C2和電感L2對(duì)C3和負(fù)載供電，蓄電池不工作。根據(jù)式（9）、式（10）可得

由式（10）、式（12）可知，模式3的2種工作方法均為主電源和蓄電池共同對(duì)負(fù)載供電。理想情況下，方法1中主電源供電功率大于蓄電池；方法2中蓄電池供電功率大于主電源，可根據(jù)實(shí)際情況需要選擇合適工作方法。無論選擇哪一種工作方法，只需改變開關(guān)管的控制方法即可，硬件電路結(jié)構(gòu)無需變動(dòng)，電路利用率和靈活性較高，同時(shí)在一定程度上提高了電路集成度。

模式4：

當(dāng)主電源輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，主電源可以同時(shí)對(duì)負(fù)載和蓄電池供電，主電源對(duì)負(fù)載供電與模式1相同，主電源對(duì)蓄電池充電如圖5所示。當(dāng)主電源電壓略大于蓄電池電壓時(shí)，圖5電路為BUCK降壓電路，通過調(diào)節(jié)開關(guān)S2的占空比來調(diào)節(jié)蓄電池的充電電壓。

圖5 工作模式4Fig.5 Working mode 4

模式5：

新能源發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)主電源無需對(duì)負(fù)載供電時(shí)，為了合理利用能源，主電源發(fā)出的電能用來對(duì)蓄電池充電，充電電路如圖5所示。

1.2 延伸拓?fù)?/p>

把圖1中三端口變換器的主電源和蓄電池作為嵌入端口，嵌入兩階諧振開關(guān)電容電路，形成的拓展三端口變換器如圖6所示。拓展三端口變換器具有更高升壓比和更寬的調(diào)壓范圍，圖6中虛線方框內(nèi)的電路是變形的兩階諧振開關(guān)電容電路，也可以嵌入三階諧振開關(guān)電容電路，甚至更高階的開關(guān)電容電路。

圖6 拓展三端口變換器Fig.6 Exponded three-port converter

兩階和三階開關(guān)電容諧振電路如圖7所示，去掉其中的諧振電感即為普通開關(guān)電容電路。延伸拓?fù)洳捎弥C振開關(guān)電容電路是因?yàn)橹C振電路可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電流通斷，提高變換器效率和性能［10］。

圖7 多階開關(guān)電容電路Fig.7 Multistage switched capacitor circuit

延伸拓?fù)涔ぷ髟谀Ｊ?時(shí)，主電源UA單獨(dú)對(duì)負(fù)載R0供電。開關(guān)S1處于閉合狀態(tài)，S2、S5、S6一直處于斷開狀態(tài)。在開關(guān)S4、S7導(dǎo)通時(shí)間段kT內(nèi)，主電源UA對(duì)電容C2充電，電容C3對(duì)C6、L4并聯(lián)充電；當(dāng)開關(guān)S4、S7關(guān)斷時(shí)，在S3導(dǎo)通時(shí)間段（1-k）T內(nèi)，主電源UA串聯(lián)電容C2對(duì)電容C3充電，電容C3串聯(lián)L4、C6對(duì)C7、R0供電。仿真電路工作電流如圖8所示。

根據(jù)前文分析和電感伏秒平衡原理，由圖8可見，電感L5對(duì)電容C6充電后的電壓影響不大。輸入電壓為40 V，電容C6充電后的電壓約為40.5 V；開關(guān)S7導(dǎo)通瞬間電流較為理想。

根據(jù)式（5）和開關(guān)電容諧振電路工作特性［11］，在理想情況下，模式1的輸出電壓為

圖8 仿真電路工作波形Fig.8 Waveforms of simulation circuit

工作在模式2時(shí)，蓄電池UB單獨(dú)對(duì)負(fù)載R0供電。開關(guān)S1、S2、S3、S4處于斷開狀態(tài)，開關(guān)S5、S6、S7閉合工作。分析同模式1，可得輸出電壓為

工作在模式3時(shí)，主電源UA和蓄電池UB共同對(duì)負(fù)載R0供電，工作方式同圖1所示的電路工作模式3。工作在方法1時(shí)，開關(guān)S1、S7同時(shí)通斷，其余開關(guān)正常工作。根據(jù)前文分析，可得該電路工作在模式3方法1時(shí)的輸出電壓為

工作在方法2時(shí)，開關(guān)S1、S7交替通斷，其余開關(guān)正常工作，則輸出電壓為

工作在模式4時(shí)，主電源UA同時(shí)對(duì)蓄電池UB和負(fù)載R0供電。工作在模式5時(shí)，主電源UA只對(duì)蓄電池UB充電。圖6的電路中，主電源UA對(duì)蓄電池UB充電電路與圖5相同，前文已分析，不再討論。

對(duì)比圖1和圖6所示三端口變換器各個(gè)模式工作特性可知，拓展變換器具有更高的變壓比和更好的調(diào)壓特性，同時(shí)也反應(yīng)出該三端口變換器電路結(jié)構(gòu)的靈活性。把圖1所示的三端口變換器拓?fù)渥鳛榛A(chǔ)拓?fù)洌粌H可以嵌入如圖7所示的二、三階開關(guān)電容電路，還可以嵌入更高階開關(guān)電容電路，形成更高壓比和更大調(diào)壓范圍的三端口變換器。

2 變換器效率

圖1中電感L2和圖6中電感L4的工作電路與BOOST電路基本相同，根據(jù)文獻(xiàn) ［12，13］可知BOOST電路工作效率較高，大于80%。本文所提出的變換器中，電感L2、L4用于精確調(diào)節(jié)電壓，其工作占空比為［0.3～0.7］，避免使用極端占空比，電路工作在理想狀態(tài)。

本文提出的三端口變換器電路中含有大量的開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路工作效率與電容的充放電效率密切相關(guān)，首先分析電容的充電效率。令電容C從t0時(shí)刻開始充電，t1時(shí)刻充電結(jié)束，通過推理分析和計(jì)算可以得到電容充電效率η為

由式（17）可以得出，電容的充電效率與串聯(lián)電阻的大小沒有關(guān)系，也與電壓的充電過程無關(guān)。當(dāng)電容充電的末態(tài)電壓恒定時(shí)，電容上的電壓變化越大時(shí)，電容充電的效率越低。

從整體來考慮，開關(guān)電容的工作效率為

式中：M為電壓變比，M＝U0/US；K為本征電壓變比，K＝Qi/Q0。

理想情況下效率η為1，即M＝K。但通常η＜1，即M＜K。電路拓?fù)湟欢〞r(shí)，盡量提高輸出電壓來增大變壓比M，從而提高電路效率。開關(guān)電容電路效率也可表示為

式中：U0為輸出電壓，UG為理論計(jì)算理想輸出電壓。由式（18）、式（19）可知，電路中等效電阻、二極管均會(huì)造成一定的壓降，降低電路整體效率。電路壓降一定時(shí)，提高輸入電壓可在一定程度上提高電路效率。

傳統(tǒng)兩階開關(guān)電容電路如圖9所示，與圖7（a）的區(qū)別在于圖9為非諧振開關(guān)電容電路，圖7（a）為諧振開關(guān)電容電路。根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知，諧振開關(guān)電容電路效率要高于傳統(tǒng)開關(guān)電容電路效率，所以本文延伸拓?fù)渲胁捎弥C振開關(guān)電容電路；另一方面因?yàn)橹C振開關(guān)電容電路開關(guān)電流以及電容充電電流波動(dòng)小于傳統(tǒng)開關(guān)電容電路，進(jìn)一步降低了電路的電磁干擾。

圖9 傳統(tǒng)兩階開關(guān)電容電路Fig.9 Traditional two order switched capacitor circuit

由于在實(shí)際電路中電容和電感值不能無限大，可根據(jù)需要選擇合適的電容和電感。為了提高電路效率，應(yīng)盡量減小電容電壓波動(dòng)，可在一定范圍內(nèi)增大電容值C，也可盡量提高電路工作頻率f，即

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，對(duì)如圖1所示的新拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓 UA＝6 V，UB＝5 V，C2＝50 μF，C1＝C3＝200 μF，L1＝L2＝0.3 mH，L3＝0.01 mH。NE555PWM發(fā)生器產(chǎn)生PWM控制波形，開關(guān)頻率fs＝10 kHz，開關(guān)管S1、S2和S3選用IRF3205，二極管全部選用IN5339。

利用NE555PWM發(fā)生器和IRF3205產(chǎn)生10 kHz控制開關(guān)管的PWM波形如圖10所示。

圖10 PWM波形Fig.10 PWM woreforms

電路工作在模式1～4時(shí)，主電源UA或蓄電池UB工作過程中會(huì)對(duì)電容C2進(jìn)行周期性充電，然后電容C2周期性放電。圖11（a）為不加電感L3時(shí)電容C2兩端電壓波形，由圖可知開關(guān)S3瞬間導(dǎo)通電流很大；圖11（b）為加入電感L3時(shí)電容C2兩端電壓波形，由圖可知開關(guān)S3瞬間導(dǎo)通電流得到了控制，效果比較理想。

圖11 開關(guān)電容波形Fig.11 Waveforms of switched capacitor

電路工作在模式1～4時(shí)，針對(duì)不同負(fù)載根據(jù)式（5）、式（6）、式（8）、式（11）調(diào)節(jié)占空比D，可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)壓，如圖12所示。由圖中的PWM波形可以看出，調(diào)節(jié)占空比可以改變了輸出電壓，調(diào)壓過程類似BOOST電路調(diào)壓，占空比D值越大，輸出電壓越高；在調(diào)整占空比調(diào)節(jié)輸出電壓的過程中，電容可以實(shí)現(xiàn)正常的充放電狀態(tài)，保證了電路的工作特性，與理論相吻合。

輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)特性如圖13所示，由圖可以看出，占空比D以0.5為中心，左右調(diào)節(jié)可以在一定范圍內(nèi)精確調(diào)壓，與普通BOOST電路相比，該變換器具有更高的變壓比和同樣的精確調(diào)壓特性。

圖12 輸出電壓與占空比D的關(guān)系Fig.12 Relationship between output voltage and duty ratio D

圖13 輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)特性Fig.13 Continuous regulation characteristics of output voltage

電路工作在模式3時(shí)，由主電源UA和蓄電池UB共同為負(fù)載供電，其電壓UA、UB如圖14所示，UA＝6 V，UB＝5 V。其輸出電壓特性如圖15所示，連續(xù)調(diào)節(jié)占空比D可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的持續(xù)調(diào)節(jié)。由圖14、圖15可見兩個(gè)端口同時(shí)工作時(shí)，端口之間互不影響，顯示出電路良好的工作特性。

圖14 輸入電壓波形Fig.14 Input voltage waveforms

圖15 輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)特性Fig.15 Continuous regulation characteristics of output voltage

本文提出的三端口直流變換電路由自舉電路、開關(guān)電容電路組合而成，其工作效率如圖16所示。因?yàn)殡娐吩旧泶嬖谝欢芎暮蛪航?，所以產(chǎn)生一些固定的損耗。由式（18）、式（19）可知，輸入電壓較低時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致效率相對(duì)較低，在一定范圍內(nèi)逐漸提高輸入電壓，變換器效率增高也會(huì)相應(yīng)增高。

圖16 電路工作效率Fig.16 Circuit working efficiency

整體來看，本文提出的基于開關(guān)電容的三端口變換器DC/DC為非隔離型電路，工作效率接近90%，繼承了非隔離型電路效率高的優(yōu)勢(shì)。該變換器與隔離型變換器都具有較高的變壓比和較大的調(diào)壓范圍，并且效率略高于隔離型變換器。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前新能源發(fā)電系統(tǒng)電能變換需求，結(jié)合開關(guān)電容和自舉電路的特點(diǎn)，提出一族三端口DC/DC變換電路。理論與實(shí)驗(yàn)證明，該新型三端口DC/DC變換電路具有以下特點(diǎn)：

（1）新型三端口DC/DC變換電路屬于非隔離型電路，保證了電路工作效率，引入升壓型開關(guān)電容電路，提高了非隔離型電路的變壓比；

（2）引入自舉電路，可及時(shí)調(diào)整輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，精確調(diào)壓且調(diào)壓范圍廣；

（3）端口之間工作互不影響，端口之間能量分配簡(jiǎn)單易行；

（4）電路利用率較高，閑置電路少；

（5）電路結(jié)構(gòu)靈活，根據(jù)實(shí)際情況需要，嵌入適當(dāng)階數(shù)的開關(guān)電容電路，便可改變輸出電壓范圍。

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Three Port DC-DC Converter Based on Switched Capacitor

MA Shengquan，PAN Tinglong
（School of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Three-port DC/DC converter（TPC）can be applied in renewable power systems and electric vehicle power systems.Three-port DC/DC converter is consisted of uni-directional DC/DC converter and bidirectional DC/DC converter，and has the advantages such as simple structure，lower cost and more flexible control.This paper proposes a family of high transformer ratio three-port DC-DC converter according to TPC classification and composition rules.The new three-port DC/DC converter is consisted of switched capacitor circuit，bootstrap circuit，BUCK and BOOST circuit.The new converter has the advantages such as high transformer ratio，flexible structure and wide range of voltage regulation，etc.It can be well applied in the new energy power generation system.Finally，experimental results vertify the analysis of the new topology.

three-port；switched capacitor；bootstrap circuit；high transformer ratio；BUCK，BOOST circuit

馬圣全

馬圣全（1991-）通信作者，男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：shengquan1991@126.com；

潘庭龍（1976-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事新能源控制技術(shù)、功率變換技術(shù)等方面的研究和運(yùn)動(dòng)控制等方面的教學(xué)工作，E-mail：tlpan@jiangnan.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.48

：TM 133

：A

2014-09-05

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012550）；江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目（1256010241120850）

Project supported by The natural Science Foundation of Jiangsu Province（BK2012550）；Jiangsu Scientific Research Achievements in Industrialization Project（12560 10241120850）