倍流整流電路在應用中存在的問題

寇金華， 王武俊， 柴璐軍

（中車永濟電機有限公司， 陜西 西安 710018）

引言

近年來，隨著“節(jié)能減排”口號的提出，電動汽車等應用領域得到了越來越多的關注[1]。為適應電池組容量的增加以及快速充電的要求，要求對其供電的電源具有大電流輸出能力。因此，大電流DC-DC變換器的研究得到了眾多學者的重視[2]。

倍流整流電路采用交錯并聯(lián)的方式實現(xiàn)大電流輸出，較其它電路拓撲具有明顯的優(yōu)勢[3-5]。本文詳細分析了倍流整流電路在實際應用中由于兩電感寄生電阻不同引起的電感電流不均衡問題。且在PSIM仿真結果驗證了理論分析的正確性。

1 倍流整流電路

圖1示出了全橋變換器拓撲，其輸出側采取的是倍流整流電路（其中RL1和RL2分別兩電感的寄生電阻）。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的變壓器副邊帶中心抽頭的全波整流電路相比，倍流整流電路有以下優(yōu)點：減小了變壓器副邊繞組的電流有效值；變壓器利用率較高，無需中心抽頭，結構簡單，易于制造；輸出電感電流紋波存在交錯，從而有相當一部分可以相互抵消，因此能夠減小輸出電壓紋波；雙電感也更適合于分布式功率耗散的要求。與橋式整流電路相比，倍流整流電路除具有上述的大部分優(yōu)點外，其采用的二極管數(shù)量要少一半，因而效率相對要高。因此，倍流整流電路結合了全波整流電路和橋式整流電路兩者的優(yōu)點。當然，倍流整流電路要多采用一個濾波電感，但流過該電感的電流也只有全波或橋式整流的一半，因此，該電感可以做得更小。

圖1 帶倍流整流電路的全橋拓撲

當假定所有器件均為理想器件時，可得圖1所示倍流整流電路的主要工作波形，如圖2所示。下面簡要描述倍流整流電路的工作過程。

圖2 倍流整流電路主要工作波形

過程 1（t0—t1）：變壓器副邊電壓 VT極性為正，流過電感L1的電流iL1線性上升，流過電感L2的電流iL2線性下降，此時僅二極管D2正向導通；

過程 2（t1—t2）：變壓器副邊電壓 VT為零，流過電感L1和L2電流iL1和iL2均線性下降，二極管D1和D2均正向導通；

過程 3（t2—t3）：變壓器副邊電壓 VT極性為負，流過電感L1的電流iL1線性下降，流過電感L2的電流iL2線性上升，此時僅二極管D1正向導通；

過程4（t3—t4）：過程4與過程1完全相同，這里不再贅述。

圖3 兩電感參數(shù)完全一致的穩(wěn)態(tài)電流波形

從上頁圖1主電路圖及圖2主要工作波形示意圖可以看出，倍流整流電路采用兩電感交錯的對稱結構，從而可以得到較小的輸出電流和電壓紋波。不難看出，在理想情況下，流過兩電感的電流具有相同的直流分量以及紋波峰峰值，它們僅在相位上存在差異。

2 存在的問題

在實際應用中，元器件參數(shù)是很難保持完全一致的，尤其是元器件的一些寄生參數(shù)，如電感和電容寄生串聯(lián)電阻等。因此，需考慮寄生參數(shù)對電路穩(wěn)態(tài)工作點的影響。下面主要分析當兩電感寄生電阻值不相同時對倍流整流電路穩(wěn)態(tài)性能的影響。

在穩(wěn)態(tài)時，對上頁圖1所示倍流整流電路的兩電感分別采用伏秒平衡可得

式中，IL1和IL2分別為流過兩電感的電流平均值，D為控制脈沖占空比，T為開關周期。

簡化式（1）（2），分別可得

由式（3）和（4）可知，流過兩電感的電流平均值IL1和IL2的比值為：

因此，當時 RL1≠RL2，有 IL1≠IL2。即兩電感寄生電阻值不同時，兩電感電流將具有不同的直流分量，且流過寄生電阻值相對較大電感的電流要小于流過寄生電阻值相對較小電感的電流。

在實際應用中，倍流整流電路中兩電感寄生電阻參數(shù)極有可能存在較大偏差，從而導致電感電流極大不對稱，影響輸出電壓紋波，引起二極管D1和D2發(fā)熱不均，嚴重時甚至造成器件損壞。

此外，由以上分析過程可知，兩電感電流的不對稱性是由電感寄生電阻值的不一致引起的，而與電感值無關。由此不難看出，電感值大小的不一致不會導致兩電感電流直流分量的不同，而僅會影響電感電流紋波。所以在實際應用中，應盡量保持兩電感寄生電阻值一致，以避免兩電流不對稱問題的出現(xiàn)。

3 仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，采用PSIM軟件搭建上頁圖1所示電路進行仿真，主要電路參數(shù)如下：輸入電壓Vin=400 V，變壓器匝比N=5，輸出濾波電容C=6 800 μF，輸出電壓 Vo=12 V，輸出電流 Io=100 A。

圖3示出了兩電感參數(shù)完全相同時（L1=L2=8 μH，RL1=RL2=5 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，兩電感電流具有相同的紋波以及直流分量。

圖4 電感值不同但寄生電阻值相同的穩(wěn)態(tài)波形

圖4給出了兩電感具有相同電感值（L1=L2=8 μH）但寄生電阻值不同時（RL1=6 mΩ，RL2=3 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。對比圖3可以看出，兩電感電流不再具有相同的直流分量，流過電感L1的電流要明顯小于流過電感L2的電流，且IL1/IL2≈0.5，從而證明了理論分析的正確性。

圖5 電感值相同但寄生電阻值不同時的穩(wěn)態(tài)電流波形

圖5給出了兩電感具有不同電感值（L1=7.5 μH L2=8.5 μH）但寄生電阻值相同時（RL1=RL2=5 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，兩電感電流具有相同的直流分量，僅紋波存在不同。

4 結論

倍流整流電路因其獨特的優(yōu)勢在實際中有著廣泛應用。本文分析了其在實際應用中可能存在的問題，從而可以更為深刻地認識該電路，為更好地應用該電路提供理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 靖蘇銅，石則強，葉松，等.我國電動汽車技術應用與發(fā)展趨勢的研究[J].交通節(jié)能，2011（3）：10-13.

[2] 封焯文，粟梅，孫堯，等.用于電動汽車的雙向交錯式DC/DC變換器的設計[J].電力電子技術，2010（9）：16-17.

[3] 鄭國青，華偉.新型倍流整流器電路的研究[J].通信電源技術，2002（4）：9-11.

[4] 王萍，孫栩，宋良瑜.一種低電流紋波的低壓大電流DC-DC變換器的研究[J].中國工程科學，2005（4）：59-63.

[5] 鄧凡李，汪令祥.一種采用倍流整流的移相全橋ZVZCS直流變換器[J].電氣傳動，2007（6）：34-38.