基于軟開關(guān)的寬輸入高增益DC/DC變換器

馬蘭新 錢曉東

摘 要：一種基于軟開關(guān)技術(shù)的寬輸入高增益DC/DC變換器，前級采用LCL諧振推挽電路，實現(xiàn)軟開關(guān)、電氣隔離、一級升壓功能。后級采用BOOST電路，實現(xiàn)二級升壓、輸出穩(wěn)壓功能。對該變換器進(jìn)行了理論分析，并設(shè)計制作了一臺額定功率3kW的樣機(jī)。采用TI DSP實現(xiàn)數(shù)字化控制，輸入電壓18-32Vdc，輸出電壓360Vdc，效率高達(dá)93%。理論和實驗結(jié)果表明，該變換器工作穩(wěn)定可靠，具有寬輸入、高增益、高效率、電氣隔離、輸出穩(wěn)壓等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；DC/DC變換器；LCL諧振；推挽；BOOST；數(shù)字化控制

中圖分類號：TN624 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0024-03

Abstract： This paper studies a wide-input high-gain DC/DC converter based on soft switching technology. The LCL resonant push-pull circuit is used in the front stage to realize the functions of soft switching， electrical isolation and one stage boost. The latter stage adopts BOOST circuit to realize the function of two-stage boost and output voltage stabilization. The converter is theoretically analyzed and a prototype of rated power 3kW is designed and manufactured. Using TI DSP to realize digital control， the input voltage is 18-32Vdc and the output voltage is 360Vdc. The efficiency is as high as 93%. The theoretical and experimental results show that the converter works stably and reliably， and has the advantages such as wide input， high gain， high efficiency， electrical isolation and output voltage stabilization.

Keywords： soft switching； DC/DC converter； LCL resonance； push-pull； BOOST； digital control

引言

便攜式光伏逆變器、新型燃料電池電源、車載逆變電源、航空或軍用移動電源等設(shè)備一般采用低壓電池供電，需要首先把電池電壓升高到合適的值才能進(jìn)行逆變輸出，因此針對低壓輸入的寬輸入高增益DC/DC變換器，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。傳統(tǒng)推挽電路因開關(guān)損耗大、副變二極管尖峰電壓高等缺點逐漸被軟開關(guān)推挽電路取代[1]。采用一級軟開關(guān)推挽電路或BOOST+推挽電路較難做到穩(wěn)壓輸出，開環(huán)控制給高頻變壓器繞制及電路元器件選型帶來麻煩，增加了后級逆變電路成本，輸入電壓范圍不能做到很寬[2、3]。文獻(xiàn)[4]中采用了軟開關(guān)推挽+BOOST的電路有效地解決了上述問題，但是由于推挽電路采用濾波電容和輸入電感諧振實現(xiàn)軟開關(guān)，在PWM控制上需要PUSH和PULL有重疊時間，重疊時間的長短直接影響著輸出電壓的穩(wěn)定性，而確定重疊時間較為復(fù)雜且需要外加輔助電路實現(xiàn)定時，無疑增加了設(shè)計難度和電路成本。因此，本文提出一種基于LCL諧振推挽+BOOST的電路，不僅實現(xiàn)了寬范圍輸入、高增益穩(wěn)壓輸出、高頻電氣隔離，而且采用軟開關(guān)技術(shù)減小了開關(guān)損耗，提高了整機(jī)效率?？勺鳛楣夥孀兤?、燃料電池電源、車載逆變電源等前級電源變換設(shè)備，具有較高的實際應(yīng)用價值。

1 電路拓?fù)浞治?/p>

電路采用兩級拓?fù)?，前級采用基于LCL諧振的推挽變換器，實現(xiàn)軟開關(guān)、電氣隔離和一級升壓，后級采用常規(guī)BOOST電路，實現(xiàn)輸出閉環(huán)控制和二級升壓，整機(jī)電路拓?fù)淙鐖D1所示。

LCL諧振推挽變換器通過諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器漏感產(chǎn)生諧振，PWM1和PWM2以近50%（去除死區(qū)時間）占空比互補(bǔ)導(dǎo)通。高頻變壓器T起隔離、能量傳遞和升壓功能，副邊電壓經(jīng)全波整流及濾波電容實現(xiàn)直流輸出。為實現(xiàn)軟開關(guān)功能，開關(guān)管開關(guān)頻率為諧振頻率的偶數(shù)倍[5]，諧振實現(xiàn)過程如下所述。

（1）PWM1導(dǎo)通，PWM2關(guān)斷：諧振電感、諧振電容和變壓器漏感產(chǎn)生諧振，諧振電流從0開始上升，上管零電壓開通，實現(xiàn)軟開關(guān)。

（2）PWM1關(guān)斷，PWM2關(guān)斷：變壓器原邊電流下降到0，通過漏感對開關(guān)管結(jié)電容充、放電，副邊電流下降到0，然后反向增大，變壓器副邊電壓反向。同時變壓器原邊電壓被嵌位到輸入值，從而DC2電壓為0，為下管零電壓開通創(chuàng)造了條件。

（3）PWM1關(guān)斷，PWM2開通：下管零電壓開通，諧振電感、諧振電容和變壓器漏感產(chǎn)生諧振，諧振電流從0反向增大，同樣實現(xiàn)了軟開關(guān)。

（4）PWM1關(guān)斷，PWM2關(guān)斷：變壓器原邊電流下降到0，通過漏感對開關(guān)管結(jié)電容充、放電，副變電流下降到0，然后反向增大，變壓器副邊電壓再次反向。同時變壓器原邊電壓被嵌位到輸入值，從而DC1電壓為0，為上管零電壓開通創(chuàng)造了條件。

2 電路硬件設(shè)計

2.1 高頻變壓器設(shè)計

高頻變壓器的設(shè)計是前級推挽電路的重點和難點。 LCL諧振頻率擬設(shè)定30kHz，高頻變壓器工作頻率較高，要求磁芯損耗要小，且抗飽和能力要強(qiáng)，綜合溫升、成本等因素，選用鐵氧體材質(zhì)磁芯。輸入電壓范圍18Vdc-32Vdc，輸出電壓360Vdc，額定功率3kW，最終設(shè)定變壓器匝比為1：11，原邊匝數(shù)為2，副邊匝數(shù)為22，變壓器原理圖如圖2所示。

2.2 BOOST電感設(shè)計

BOOST電路開關(guān)管開通時，電感儲能，電感電流增加值為：

其中，VIN為BOOST輸入電壓，D為開關(guān)管占空比，T為開關(guān)周期。

BOOST電路開關(guān)管關(guān)斷時，電感放電，電感電流減小值為：

其中，Vo為BOOST輸出電壓。

采用電感電流連續(xù)模式，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，電感電流增加值等于減小值，則：

依據(jù)能量守恒，輸入電流平均值IIN與輸出電流Io之間的關(guān)系為：

BOOST輸入電壓198Vdc-351Vdc，輸出電壓360Vdc，根據(jù)式（3）得最大占空比Dmax=0.45。由式（1）可得：

其中，紋波電流？駐IL通常取平均電流的20%[6]，輸出功率3kW，開關(guān)頻率f取70kHz。根據(jù)式（4）、（5）可得出電感取值為643uH，考慮實際使用情況，最終選取電感值720uH。

2.3 輸出電容設(shè)計

BOOST輸出電容主要起儲能和抑制紋波作用。電感電流連續(xù)工作模式下，為了維持輸出電壓恒定，輸出電容的選取要綜合考慮輸出電流、輸出電壓紋波以及開關(guān)頻率。

其中，Iomax為輸出電流最大值，Dmax為占空比最大值，f為開關(guān)管開關(guān)頻率，？駐Vo為輸出電壓紋波?？紤]到電路ESR，實際選用的電容值要遠(yuǎn)大于該計算值。

輸出電壓維持時間也是選取電容的重要因素，如輸入斷電或其他因素導(dǎo)致BOOST輸入電壓下降時，需要由輸出電容來維持輸出電壓。

其中，？駐t為維持時間，a為輸出電壓維持系數(shù)。本文選擇維持時間為20ms，電壓維持系數(shù)為0.25。綜合以上分析，最終選擇輸出電容大小為940uF，選用兩個500V470uF電容并聯(lián)。

3 樣機(jī)實驗

根據(jù)以上分析，設(shè)計并制作了一臺樣機(jī)，樣機(jī)實驗波形如圖3-6所示。圖3為前級推挽電路軟啟波形。圖4為變壓器副邊諧振電流波形，CH1為推挽電路其中一個MOSFET驅(qū)動信號，CH3為變壓器副邊電流波形（1A/V），從電流圖中可以看出LCL諧振推挽電路基本實現(xiàn)了軟開關(guān)功能。圖5為滿載穩(wěn)態(tài)波形， CH1為推挽電路其中一個MOSFET驅(qū)動信號，CH2為輸出電壓，CH3為變壓器副邊電流波形（1A/V），CH4為輸入電池電壓，圖5表明滿載時機(jī)器可以穩(wěn)壓輸出。圖6為瞬投瞬卸輸出電壓波形（通道和圖5一樣），該波形表明瞬投瞬卸時輸出電壓能很好的實現(xiàn)閉環(huán)控制，具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)功能。

4 結(jié)束語

本文提出了一種LCL諧振推挽+BOOST拓?fù)涞男滦虳C/DC變換器，有效地實現(xiàn)了寬范圍輸入高電壓增益功能，減小了開關(guān)損耗，提高了整機(jī)效率，且控制方式簡單，成本較低。BOOST后置方式實現(xiàn)了輸出電壓閉環(huán)控制，具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)功能。理論分析和實驗結(jié)果均驗證了該方案的可行性、有效性以及實用性。

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