一種新型低成本雙極型組合轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

王 磊，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，河南開封475004）

一種新型低成本雙極型組合轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

王 磊*，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，河南開封475004）

為了降低直流微電網(wǎng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的成本，提出了一種新型低壓直流雙極型組合轉(zhuǎn)換器。相比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器，該雙極型組合轉(zhuǎn)換器采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合了單端初級電感轉(zhuǎn)換器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk轉(zhuǎn)換器，并且共享開關(guān)節(jié)點(diǎn)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于不需要嚴(yán)格控制各種開關(guān)的同步性，并且控制終端連接到了地面，從而大大簡化了柵級驅(qū)動的設(shè)計(jì)，降低了實(shí)現(xiàn)成本。不同的負(fù)載條件下對提出的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了性能測試驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的轉(zhuǎn)換器十分適用于直流微電網(wǎng)，即使在失衡情況下也能完成電壓調(diào)節(jié)能力，實(shí)測轉(zhuǎn)換效率均保持在84%與87%之間。

組合轉(zhuǎn)換器；雙極型直流網(wǎng)絡(luò)；Cuk轉(zhuǎn)換器；單端初級電感轉(zhuǎn)換器

現(xiàn)代社會中計(jì)算機(jī)、日光燈或LED燈、家用電器、商業(yè)電器、工業(yè)電器等消費(fèi)類設(shè)備，均需要直流電，并且根據(jù)現(xiàn)實(shí)供電情況，所有的直流負(fù)載均需要將可用的交流電轉(zhuǎn)換成直流電［1］。通常情況下，大多數(shù)轉(zhuǎn)換階段都會使用低效率的整流器。

另一方面，大部分可再生能源裝置以直流電的形式發(fā)電，需要電流轉(zhuǎn)換器，以便使各自的輸出滿足不同的網(wǎng)絡(luò)條件，然而DC-AC-DC功率轉(zhuǎn)換階段會造成大量能量損耗［2］。由于可以避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在許多情況下，直流微電網(wǎng)成為了十分合理的解決方案。相比交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)有許多優(yōu)勢［3-4］：效率高、電力傳輸多、所需電線少、穩(wěn)定性強(qiáng)、線路無電抗、無暫態(tài)穩(wěn)定性問題、無電磁干擾以及線路電阻較低。

由于微電網(wǎng)具有上述優(yōu)勢，越來越多的網(wǎng)絡(luò)帶有該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最初，微電網(wǎng)用于大型數(shù)據(jù)中心，例如：在美國英特爾公司使用+/-200 V的雙極型直流鏈。如今，其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展至低壓（電壓低于1 kV）下的直流分布式網(wǎng)絡(luò)，其中包括分布式發(fā)電，原因在于雙極型直流結(jié)構(gòu)已經(jīng)在效率方面證明了自身的優(yōu)勢［5-6］。

眾所周知，由于采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以增加或減少直流電壓的幅度，或者顛倒極性。開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器作為重要的電力電子器件，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域［7-8］。多年來，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)從不同的方面（電壓增益、操作原理、電壓和電流應(yīng)力以及效率）對降壓型、升壓型和標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)單元、降壓升壓單電感轉(zhuǎn)換器、Cuk、SEPIC及Zeta轉(zhuǎn)換器等多個(gè)傳統(tǒng)的單電感DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究［9］。文獻(xiàn)［10］也描述了這些基本轉(zhuǎn)換器的組合，如升壓降壓級聯(lián)型轉(zhuǎn)換器和降壓升壓級聯(lián)型轉(zhuǎn)換器（帶有兩個(gè)開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、降壓升壓Zeta轉(zhuǎn)換器、SEPIC升壓轉(zhuǎn)換器、Zeta反激式轉(zhuǎn)換器。

本文結(jié)合單端初級轉(zhuǎn)換器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk轉(zhuǎn)換器，提出了一種適用于低壓雙極型直流微電網(wǎng)的新型組合轉(zhuǎn)換器。其主要優(yōu)勢在于，由于僅有一個(gè)開關(guān)，不需要強(qiáng)調(diào)開關(guān)的同步性。此外，控制終端連接到了地面，簡化了柵級驅(qū)動的設(shè)計(jì)。研發(fā)出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并且對其在不同負(fù)載條件下的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的組合轉(zhuǎn)換器適用于雙極型直流網(wǎng)絡(luò)，并且具有3個(gè)方面優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，因?yàn)閮H使用了一個(gè)開關(guān)及少數(shù)有源元件；驅(qū)動器電路簡單，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)可控開關(guān)，并且不需要分離；并且控制電路簡單，因?yàn)閮H使用一個(gè)控制器就可以對雙極直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以有效降低實(shí)現(xiàn)成本。

1 典型的SEPIC和Cuk轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)的SEPIC（見圖1）和Cuk轉(zhuǎn)換器（見圖2）由兩個(gè)電感器（L1和L2）、一個(gè)鏈電容器（C1）、一個(gè)開關(guān)（S1）及一個(gè)二極管（D）組成。Cuk是負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器，而SEPIC是正輸出轉(zhuǎn)換器。SEPIC和Cuk轉(zhuǎn)換器的結(jié)合能夠生成兩個(gè)輸出，電壓相同，但極性不同?？梢詾榈蛪弘p極型直流微電網(wǎng)上的兩個(gè)電極提供動力。因此，分別對每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢及劣勢進(jìn)行了分析。

圖1 SEPIC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

圖2 Cuk轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

假設(shè)SEPIC和Cuk轉(zhuǎn)換器無損耗，且相較于各自的直流分量，開關(guān)波動幅度較小，輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系可在連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式下獲取。連續(xù)導(dǎo)通模式CCM（Continuous Conduction Mode）是指通過電感器的電流是連續(xù)的，而不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM（Discontinuous Conduction Mode）是指通過電感器的電流是不連續(xù)的。由于效率高且轉(zhuǎn)換器開關(guān)及無源元件實(shí)用，連續(xù)導(dǎo)通模式是首選。兩種轉(zhuǎn)換器提供了相同的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，如下所示：

占空比（D）是傳導(dǎo)時(shí)間（TON）與開關(guān)周期（TS）之比。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征非常相似：使用的元件數(shù)量相同，向電源開關(guān)提供的應(yīng)力相同，并且效率相似。從解析的角度來看，Cuk和SEPIC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣也非常相似。然而，在SEPIC轉(zhuǎn)換器中，通過電容器C1的平均電壓（VC1）等于輸入電壓（Vg），而在Cuk轉(zhuǎn)換器中，電容器C1的電壓等于輸入電壓加上輸出電壓（Vg+Vo）。因此，SEPIC轉(zhuǎn)換器的電容器尺寸比Cuk轉(zhuǎn)換器要小。在兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入電流為非脈沖。另一方面，在Cuk轉(zhuǎn)換器中輸出電流為非脈沖，而在SEPIC轉(zhuǎn)換器中輸出電流為脈沖。

2 提出的組合轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在直流微電網(wǎng)中，能量可通過單根電纜、2根電纜甚至3根電纜進(jìn)行傳輸，可考慮使用3種直流結(jié)構(gòu)：單極型、雙極型和同級型。在所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，使用頻率最高的是雙極型直流模型。雙極型直流模型有2根電線（見圖3）：一根正極電線，一根負(fù)極電線?？偣灿?個(gè)電壓等級，所以故障狀態(tài)下可以單極運(yùn)行。相較于單極型直流鏈，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)復(fù)雜性較高、成本較大，但是具有以下優(yōu)勢：正常操作期間，通過回路的電流較小，所以功率損耗減少；當(dāng)其中一條線路發(fā)生故障時(shí)，其它線路會繼續(xù)正常運(yùn)行；在傳輸功率相同的條件下，雙極型直流結(jié)構(gòu)的電流是單極型直流結(jié)構(gòu)的一半；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許存在2種不同的電壓等級。當(dāng)某些負(fù)載消耗了大功率時(shí)，這些優(yōu)勢較明顯，因?yàn)闇p少了電流消耗。

另一方面，某些可再生能源裝置會以直流電的方式發(fā)電，所以需要將DC-DC轉(zhuǎn)換器連接至合適的網(wǎng)絡(luò)條件。對于雙極型直流結(jié)構(gòu)［6］，這些裝置會使用2個(gè)或4個(gè)可控開關(guān)，這取決于轉(zhuǎn)換器是半橋式還是全橋式。

圖3 雙極型直流結(jié)構(gòu)

2.1 成本分析

通過比較SEPIC和Cuk的結(jié)構(gòu)，可以看出兩者的前端完全相同。2種轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比率相同，但極性相反。因此，提出了結(jié)合2種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)一種雙極型轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。從中可看出，結(jié)合的兩種結(jié)構(gòu)會共享共同的接地基準(zhǔn)開關(guān)，以及輸入端的等效電感器。由圖1～圖3可以看出，文獻(xiàn)［6，9］中的雙極型直流結(jié)構(gòu)至少需要2個(gè)開關(guān)和多個(gè)有源器件，且對開關(guān)的同步性要求較高，需要高精度的PWM控制器來具體實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)成本較高。然而，提出的結(jié)構(gòu)僅使用了1個(gè)可控開關(guān)和少數(shù)有源元件就實(shí)現(xiàn)了雙極型直流鏈，并且不需要強(qiáng)調(diào)各種開關(guān)的同步性，使用低端的PWM控制器就可以實(shí)現(xiàn)控制，如TL494。因此，實(shí)現(xiàn)成本得到降低。此外提出的組合轉(zhuǎn)換器電路相比文獻(xiàn)［6，9］，終端連接到了地面，簡化了柵級驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)得到簡化。

圖4 提出的雙極型組合轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

在靜態(tài)方式中，提出的雙極型組合轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)開關(guān)S轉(zhuǎn)向ON時(shí)，發(fā)電機(jī)提供的能量就會儲存在L1中（其中，L1是輸入端兩個(gè)電感器2L1的等效電感）；由于C1和C2會放電，電感器L2和L3同樣也會儲存能量。在間隔期間內(nèi)，續(xù)流二極管（D1和D2）位于OFF，并且向負(fù)載提供的能量是由帶有標(biāo)記C的輸出電容器提供。當(dāng)開關(guān)S轉(zhuǎn)向OFF時(shí)，電感器會通過續(xù)流二極管（D1和D2）再次向電容器C1和C2充電，并向負(fù)載提供電能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

提出的雙極型組合轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。其中包括一個(gè)提出的組合轉(zhuǎn)換器、一個(gè)低成本的PWM控制器以及一個(gè)柵級驅(qū)動器電路。只利用一個(gè)絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），就可以對不同負(fù)載條件下轉(zhuǎn)換器的電壓調(diào)節(jié)能力進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 提出的轉(zhuǎn)換器樣機(jī)

控制器方是由性價(jià)比高的PWM控制器TL494組建。將控制器配置為能夠生成30 kHz的開關(guān)頻率，并且?guī)в袉味溯敵觥④泦涌刂埔约斑^壓保護(hù)。TL494有兩個(gè)誤差放大器，內(nèi)部誤差放大器用于限制電源開關(guān)的過電流，另一個(gè)誤差放大器用于調(diào)節(jié)SEPIC端的輸出電壓。Cuk端的輸出電壓未經(jīng)調(diào)節(jié)；然而，根據(jù)前面分析可看出，Cuk端的絕對值與SEPIC端的相同。樣機(jī)用于從可再生能源生成+/-200V dc的雙極型輸出。使用一個(gè)電池組對可再生能源進(jìn)行模仿，電池組由8個(gè)串聯(lián)的12 V電池組成，所以可以將96 V作為輸入電壓。

采用交叉調(diào)節(jié)技術(shù)［8］進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此技術(shù)中，控制器直接找到了其中一個(gè)輸出電壓，并且將其調(diào)節(jié)為預(yù)期值。由于Cuk端的輸出電流為非脈沖，而SEPIC端的輸出電流為脈沖，因此在研發(fā)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，在SEPIC端（）完成調(diào)節(jié)動作，并且由于連接到了相同的開關(guān)接點(diǎn)，Cuk端（）會維持調(diào)節(jié)狀態(tài)。

使用簡易的PWM控制器有利于對兩種輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。控制器生成的控制信號需要適應(yīng)開關(guān)晶體管的參數(shù)。驅(qū)動器電路就是基于此目的而設(shè)計(jì)的。隔離柵雙極晶體管的柵電容相當(dāng)大，必須對其進(jìn)行充電并超過閾值電壓。柵級驅(qū)動器電路提供的輸出電流較高，可在要求的時(shí)間內(nèi)對柵電容進(jìn)行充電。

從圖4可知，可在器件應(yīng)力、低輸入紋波以及磁性元件大小等方面對提出的轉(zhuǎn)換器的性能進(jìn)行評估［10］。本文假定提出的轉(zhuǎn)換器在CCM模式下運(yùn)行。表1總結(jié)了上文提及的性能。注意：SEPIC端需要通過電感器L2的電流較大，此外，Cuk端需要通過電容器C2的電壓較大。為了獲取較高的額定功率，電感器L1與開關(guān)可以并聯(lián)運(yùn)行。

其中，

表1 提出的轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

3.2 測試結(jié)果與分析

在不同的負(fù)載條件下對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了兩次測試。兩次測試中正輸出電流（通道C1：500 mA/div，1 A偏移）；雙極輸出（通道C2：100 V/div，-100 Voffset）.）；正輸出電壓（通道C3：100 V/div，-100 Voffset）.）；負(fù)輸出電壓（通道C4：100 V/div，-100 Voffset）.）。單極負(fù)載測試中一個(gè)負(fù)載連接至正輸出，其它負(fù)載連接至負(fù)輸出（兩個(gè)單極負(fù)載）。在某一點(diǎn)上，連接至正輸出的負(fù)載會將自身的電阻減少一半。雙極負(fù)載測試中一個(gè)負(fù)載實(shí)現(xiàn)連接正輸出與負(fù)輸（雙極負(fù)載）。此處，通過連接正輸出上的附加荷載修改設(shè)置。表2是實(shí)現(xiàn)提出的轉(zhuǎn)換器中使用的元件參數(shù)。

表2 用于提出轉(zhuǎn)換器的元件參數(shù)

DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可表示為如下形式：

式中，P1、P2，…，Pn表示各部分損耗功率占輸入功率的百分比。DC-DC轉(zhuǎn)換器中的損耗主要分為2個(gè)方面：（1）傳導(dǎo)性損耗，由Pc=×RDSon計(jì)算得到，其中Iload表示負(fù)載電流，RDSon為MOSFET的導(dǎo)通電阻；（2）動態(tài)或者開關(guān)損耗，Pq=1/2×Iload×Vin×fs(tr+tf)，其中Vin為輸入電壓，tr和tf是上升和下降時(shí)間，fs是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。其他損耗可以忽略不計(jì)［11］。

第1種情況將兩個(gè)平衡負(fù)載連接至轉(zhuǎn)換器輸出，其中在正輸出上的負(fù)載為0.65 A，另一個(gè)負(fù)載連接至負(fù)輸出。轉(zhuǎn)換器提供的功率為300 W，通過式（8）可得效率約為86.1%。在某一點(diǎn)上，連接至正輸出的負(fù)載會將自身的電阻減少一半。因此，輸出轉(zhuǎn)換器的負(fù)載就會失衡。正輸出上的平均電流為1 A，而負(fù)輸出上的平均電流為0.65 A?？偣β蕿?50 W，并且效率降至84.5%。

圖6（a）是連接至單極負(fù)載時(shí)的輸出電流響應(yīng)及輸出電壓波形。電壓不會發(fā)生變化，會一直等于這個(gè)數(shù)值。圖6（b）是連接至正輸出的負(fù)載從0.65 A到1 A的轉(zhuǎn)變?？捎^察出，負(fù)載環(huán)流引起零輸出。輸出電壓就是各自的運(yùn)行值。

在第2種情況下，雙極負(fù)載處于正輸出與負(fù)輸出之間。負(fù)載的平均電流為0.35 A。對于此負(fù)載，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功率為180 W，效率約為87.9%。將單極負(fù)載連接至正輸出之后，平均電流為0.65 A。因此，正輸出的電流變?yōu)?.1 A。在這種情況下，轉(zhuǎn)換功率為330 W，實(shí)測效率約為84.8%。從圖7（a）觀察出，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓會保持不變。負(fù)輸出電壓表現(xiàn)為振動較小，數(shù)值可忽略不計(jì)。圖7（b）是雙極負(fù)載保持連接狀態(tài)，而單極負(fù)載卻斷開。

圖6 平衡和失衡負(fù)載連接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 雙極負(fù)載和雙極負(fù)載及單極負(fù)載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6和圖7可以看出，即使負(fù)載變動失衡，轉(zhuǎn)換器也能夠適應(yīng)各種負(fù)載變動。兩個(gè)測試中的實(shí)測效率均保持在84%與87%之間。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型低壓直流雙極型組合轉(zhuǎn)換器，適用于低壓直流微電網(wǎng)。該雙極型組合轉(zhuǎn)換器采用新的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括SEPIC和Cuk轉(zhuǎn)換器。提出的組合結(jié)構(gòu)會共享共同的接地基準(zhǔn)開關(guān)和輸入端的等效電感器。在不同的負(fù)載條件下對其進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的轉(zhuǎn)換器即使在失衡情況下也能完成電壓調(diào)節(jié)能力，有效降低了轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)成本。

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王 磊（1983-），男，漢族，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娮?、通信、網(wǎng)絡(luò)，wangleihn1983@sina.com；

丁 燕（1983-），女，漢族，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡姎?、自動化?/p>

A New Low Cost Bipolar Combined Converter

WANG Lei*，DING Yan
（Department of Automation Engineering，Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng He’nan 475004，China）

In order to reduce the cost of the DC-DC converter，a new type of low voltage DC bipolar combined con?verter is presented.Compared to the conventional converter，the combined converter uses a new structure which combines the single ended Primary Inductance Converter（SEPIC）and the Cuk converter.The switch node is shared by SEPIC and Cuk converter.The main advantage of this topology is that it does not need to strictly control the syn?chronization of all kinds of switches，and the control terminal is connected to the ground，which simplifies the de?sign of the gate level drivers and reduces the cost of implementation.The performance of the proposed converter is verified by different load conditions.The experimental results show that the proposed converter is very suitable for DC micro grid，even if the imbalance can also be accomplished by the voltage regulation capability，the conversion efficiency is maintained between 87%and 84%.

combined converter；bipolar DC network；Cuk converter；single ended primary inductor converter

TM469

A

1005-9490（2016）06-1516-05

8620

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.045

2015-11-17 修改日期：2016-01-27