開關(guān)-耦合電感DC-DC變換器*

余岱玲，丁新平，宋英杰，趙德林

(青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

由于清潔能源和綠色能源的高速發(fā)展，光伏發(fā)電、燃料電池和潮汐能發(fā)電等所用電能轉(zhuǎn)換電路必須擁有高效、高升壓增益等特點(diǎn)[1]。含有隔離變壓器的傳統(tǒng)DC-DC拓?fù)潆娐?，由于變壓器的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的升壓倍數(shù)，譬如Push-pull等。但是，傳統(tǒng)隔離變換器由于漏感能量帶來了有源器件的過高電壓應(yīng)力和低效率，使得其在應(yīng)用中不得不增加吸收電路或者軟開關(guān)電路，添加的吸收電路或軟開關(guān)電路增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，影響了該類電路的應(yīng)用潛能[2-3]。

一些非隔離型DC-DC電路通過采用耦合電感、級(jí)聯(lián)技術(shù)、開關(guān)電感和開關(guān)電容等能夠?qū)崿F(xiàn)高升壓增益功能[4-7]。單純的某一種功能升壓能力往往有限，集成兩種升壓技術(shù)的電路陸續(xù)出現(xiàn)，并取得一定的效果。

含有開關(guān)電感的DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)在輸出端獲得較大的升壓倍數(shù)[8-10]，兩個(gè)電感的工作方式為當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的期間，電源電壓同時(shí)作用于兩個(gè)電感上，以并聯(lián)的方式儲(chǔ)存能能量，在開關(guān)關(guān)斷期間，兩電感經(jīng)過兩者間的通路以串聯(lián)方式釋放自身能量，繼而達(dá)到升壓功能，升壓能力較之傳統(tǒng)升壓電路(Boost，Sepic等)有了顯著改善，但升壓能力不是很高。耦合電感型DC-DC轉(zhuǎn)換器利用耦合線圈匝數(shù)比和占空比增大輸出電壓增益[4]。但是，在實(shí)現(xiàn)高電壓增益(8 倍～12 倍)時(shí)，變壓器匝比太大，帶來了能耗較大、效率較低等缺點(diǎn)。

提出包含有開關(guān)模塊和耦合模塊的相關(guān)DC-DC拓?fù)渥宓膬?yōu)點(diǎn)的開關(guān)-耦合電感DC-DC變換電路(Switched-coupled inductor DC-DC converters)。輸入端利用開關(guān)電感導(dǎo)通時(shí)并聯(lián)儲(chǔ)能和關(guān)斷時(shí)的串聯(lián)釋放能量的特性完成電路的升壓功能，輸出側(cè)利用耦合電感匝比實(shí)現(xiàn)升壓功能。兩種升壓功能連同占空比一起使電路的輸出電壓獲得較大的升壓倍數(shù)。電路中，開關(guān)器件能夠在零電流(ZCS)條件下導(dǎo)通、整流二極管能夠滿足零電流(ZCS)截止條件，開關(guān)管開始斷開的瞬間，箝位二極管發(fā)揮其功能，釋放耦合電感的漏感能量至輸出電容，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用。該電路具有效率高、升壓功能強(qiáng)和電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于清潔、綠色能源等場合實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換。

1 開關(guān)-耦合電感Boost變換電路

1.1 開關(guān)-耦合電感Boost變換電路工作狀態(tài)分析

圖1即為所要闡述的新式開關(guān)-耦合電感Boost拓?fù)潆娐返幕就負(fù)湓韴D。在含有開關(guān)模塊的Boost拓?fù)潆娐泛秃旭詈夏K的Boost拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)上整合改善而成。整合了兩種電路的升壓功能，實(shí)現(xiàn)電路的輸出電壓獲得較大的升壓倍數(shù)的同時(shí)，有源元件工作在軟開關(guān)環(huán)境下，關(guān)斷瞬間箝位二極管發(fā)揮作用，釋放耦合繞組的漏感能量至輸出電容，實(shí)現(xiàn)了能量高效利用，改善了電磁環(huán)境，提高了電路的高效率。圖2為考慮儲(chǔ)能電感漏感時(shí)的等效電路圖。

圖1 開關(guān)- 耦合電感Boost變換器Fig.1 Switched- coupled- inductor Boost converter

圖2 開關(guān)-耦合電感Boost變換器等效圖Fig.2 Equivalent circuit of switched-coupled Boost converter

根據(jù)電路中的電壓、電流情況，將電路在一個(gè)工作周期內(nèi)的工作狀態(tài)(模式)分為如下四種。具體工作狀態(tài)結(jié)合圖3所示電路關(guān)鍵器件電壓、電流狀態(tài)進(jìn)行分析。圖4為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中關(guān)鍵器件波形。

圖3 開關(guān)-耦合電感Boost變換電路工作狀態(tài)Fig.3 Operation modes of switched- coupled inductor Boost converter in one switching cycle

圖4 開關(guān)-耦合電感Boost關(guān)鍵波形Fig.4 Key waveforms of switched-coupled inductor Boost converter

階段1(t0～t1)(圖3(a)所示)：本時(shí)段是開關(guān)管S導(dǎo)通前的過渡過程，前一時(shí)段為截止?fàn)顟B(tài)。在t0時(shí)， S由關(guān)斷變?yōu)檫B通的瞬間，因?yàn)槁└蠰3K， D3正向連通，構(gòu)成續(xù)流回路，將漏感L3K內(nèi)的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙?，輸出電容C充電。流經(jīng)L1、L2的電流iL1、iL2緩慢增加，與其串聯(lián)的D1、D2正向連通，反向壓降作用于D12兩端，使D12反向關(guān)斷。隨著漏感L3K能量的減少，輸出電容C提供負(fù)載RL所需要的能量，電源Vg向電感L1、L2及漏感L1K、L2K充電，此時(shí)輸出端負(fù)載電阻RL消耗的能量由漏感L3K和輸出電容C共同提供，作用于二極管D3的電流iD3緩慢減小。當(dāng)漏感L3K儲(chǔ)存能量消耗完后，續(xù)流二極管D3零電流(ZCS)關(guān)斷，導(dǎo)通過渡過程結(jié)束。

階段2(t1～t2)(圖3(b)所示)：導(dǎo)通工作模式。開關(guān)管S持續(xù)導(dǎo)通，電源Vg給勵(lì)磁電感L1、L2充電，勵(lì)磁電流iL1、iL2在電源Vg的作用下線性上升，電容C給負(fù)載RL供電，形成環(huán)路Vg-D1-L1-L1K-S，Vg-D2-L2-L2K-S，C-RL，在兩個(gè)回路中，相互耦合的L1、L2、L3三個(gè)儲(chǔ)能器件開始工作，進(jìn)行充電，電容C放電。

階段3(t2～t3)(圖3(c)所示)：關(guān)斷過渡階段。在t2時(shí)，開關(guān)管S截止，漏感L1K、L2K釋放能量，開關(guān)管內(nèi)部等效漏源間結(jié)電容儲(chǔ)能，漏源間電壓升高，開關(guān)電感電壓反向，二極管D1、D2反向關(guān)斷，D12導(dǎo)通。VSds高于VD4+VC后， D4導(dǎo)通，電壓經(jīng)箝位二極管D4箝位至VD4+VC，有效防止因漏感產(chǎn)生的電壓過沖對(duì)開關(guān)元件造成影響，同時(shí)把漏感存儲(chǔ)的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙軨把這部分能量循環(huán)使用，提高變換器的能源使用效率，隨著漏感能量釋放，電壓尖峰值降低，輸入端電壓Vg以及相互耦合的電感L1、L2、L3存儲(chǔ)在自身的能量和其本身存在的漏感L1K、L2K一起給后級(jí)穩(wěn)壓電容C和負(fù)載RL供能，此時(shí)主要器件狀態(tài)幾位漏感L1K、L2K放電，漏感L3K充電，輸出端電容C儲(chǔ)能。

階段4(t3～t4)(圖3(d)所示)：關(guān)斷模式。在位于t3時(shí)，VSds電壓減小，漏感L1K、L2K放電結(jié)束，D4反向截?cái)?，第三耦合繞組的漏感L3K釋放儲(chǔ)存的能量，電源Vg和電感L1、L2、L3一起將能量釋放到輸出端，此時(shí)輸出端電容C充電，負(fù)載電阻RL獲得能量，形成環(huán)路Vg-L2-L2K-D12-L1-L1K-L3-L3K-D3-VC1，耦合電感L1、L2、L3放電，輸出電容C充電。

1.2 開關(guān)-耦合電感Boost變換電路直流穩(wěn)態(tài)分析

電感電流為連續(xù)(CCM)狀態(tài)時(shí)，新式開關(guān)-耦合電感Boost變換器包括兩種重要的工作模式，分別為開關(guān)管導(dǎo)通、開關(guān)管關(guān)斷兩種情況。簡單起見，在推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)電壓關(guān)系時(shí)可以忽略導(dǎo)通過渡階段和關(guān)斷過渡階段：

模態(tài)1：導(dǎo)通階段(上節(jié)之階段2)。此階段S接通，后級(jí)電容C提供負(fù)載RL所需能量，輸入的Vg向L1、L2及漏感L1K、L2K儲(chǔ)能，此時(shí)輸出端負(fù)載電阻RL所需的能量由漏感L3K和輸出電容C共同提供。變換器能量傳遞存在三個(gè)環(huán)路Vg-L1-S，Vg-L2-S，C-RL，這時(shí)，開關(guān)-耦合電感Boost拓?fù)潆娐分懈髦匾兞块g數(shù)值等式滿足：

模態(tài)2：關(guān)斷階段(上節(jié)之階段4)。S截止，輸入電源Vg和耦合線圈L1、L2、L3所存能量共同給C充電，并且為負(fù)載電阻RL供能，變換器通過Vg-L2-L1-L3-VC1這個(gè)環(huán)路完成能量的傳遞，此時(shí)，變換器中電壓、電流關(guān)系滿足：

在變換器工作在穩(wěn)定情況時(shí)，在電感伏秒平衡原則的理論基礎(chǔ)上，聯(lián)合式(1)和式(2)可以計(jì)算出關(guān)于所提出的拓?fù)潆娐返碾妷荷龎罕鹊年P(guān)系等式為：

式中n為耦合電感匝數(shù)比N3:N2=N3:N1=n；Vg為直流輸入電源電壓；VC為電容C兩端電壓；Vo為負(fù)載輸出電壓；D為開關(guān)管導(dǎo)通占空比。

開關(guān)電感Boost拓?fù)潆娐放c耦合電感Boost變換器拓?fù)潆娐冯妷涸鲆娣謩e為：

圖5所示是四個(gè)變換的電路電壓升壓倍數(shù)B=Vo/Vg在占空比D改變時(shí)的變化曲線。分別是傳統(tǒng)的Boost、含有開關(guān)模塊的Boost、含有耦合模塊的Boost以及新式開關(guān)-耦合Boost。其中，含有耦合模塊的Boost和所提出的新式電路的匝數(shù)比n=5。由圖可以看出，所提出的新式開關(guān)-耦合電感Boost電壓放大倍數(shù)比其他三種拓?fù)湟摺?/p>

圖5 四種升壓變換器升壓增益對(duì)比圖Fig.5 Waveforms comparison of voltage step-up gain in 4 kinds of converters

2 開關(guān)-耦合電感DC-DC變換器

把此種拓?fù)鋺?yīng)用到傳統(tǒng)DC-DC變換電路中，可以構(gòu)成一族較大電壓轉(zhuǎn)換比的DC-DC拓?fù)潆娐?，分別是開關(guān)-耦合電感Buck-Boost(S-CI Buck-boost)拓?fù)潆娐?、開關(guān)-耦合電感Sepic拓?fù)潆娐?S-CI Sepic)、開關(guān)-耦合電感Cuk拓?fù)潆娐?S-CI Cuk)以及開關(guān)-耦合電感Zeta拓?fù)潆娐?S-CI Zeta)，電路圖如圖6所示。

圖6 開關(guān)-耦合電感DC-DC變換器族Fig.6 A family of switched-coupled inductor DC-DC converter

上述開關(guān)-耦合電感DC-DC變換器工作狀態(tài)以及工作原理與上文分析所述開關(guān)-耦合電感Boost變換器相差無幾，具體原理分析不再贅述，其輸出-輸入電壓關(guān)系B如表1所示。

表 1 開關(guān)-耦合電感DC-DC變換器電壓增益Tab.1 Voltage gain of switched-coupled inductor DC-DC converters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)額定功率為200 W的開關(guān)-耦合電感Boost變換器樣品機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)原理，用12VDC作為輸入端直流電源值，負(fù)載端的電壓設(shè)定為110VDC。實(shí)驗(yàn)電路的升壓比為110/12=9.16，樣機(jī)實(shí)測參數(shù)如表2所示。

表 2 樣機(jī)電路參數(shù)Tab.2 Prototype circuit parameters

圖7 實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental results

在不同功率等級(jí)下，實(shí)驗(yàn)測試了開關(guān)-耦合電感Boost變換器的效率曲線，效率和功率等級(jí)的關(guān)系，圖8即為其關(guān)系變化曲線。在80 W左右，升壓9.2倍的情況下，電路效率能夠達(dá)到92%，其后，隨著功率的上升效率在下降，在200 W前后時(shí)，效率為89.6%。和考慮了寄生參數(shù)后的仿真效率有一點(diǎn)差別，究其原因，主要是開關(guān)-耦合電感的設(shè)計(jì)和繞制上有待進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

圖8 樣機(jī)效率曲線Fig.8 Efficiency waveform of prototype

圖9 樣機(jī)照片F(xiàn)ig.9 Photo of prototype

含有開關(guān)-耦合電感模塊的DC-DC拓?fù)渥咫娐芳嬗猩鲜龊謩e模塊的調(diào)壓功能。能夠在實(shí)現(xiàn)較高的升壓增益(8倍～12倍)的同時(shí)，達(dá)到比較高的轉(zhuǎn)換效率(90%左右)。單個(gè)開關(guān)電感對(duì)于輸入電流應(yīng)力降低，有源元件工作在軟開關(guān)環(huán)境下，降低了有源元件開關(guān)損耗和整流二極管反向關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生損耗，同時(shí)改善了開關(guān)管的工作環(huán)境。

4 結(jié)束語

開關(guān)-耦合電感DC-DC拓?fù)渥迨且环N具有高電壓升壓比的DC-DC變換電路。采用添加開關(guān)模塊和耦合模塊來實(shí)現(xiàn)增大變換電路的電壓轉(zhuǎn)換比，電路在采用合適占空比時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的電壓轉(zhuǎn)換比?？紤]到電路的結(jié)構(gòu)，開關(guān)-耦合電感高升壓增益變換器相比于其他結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)開關(guān)管S電壓過沖較小。 箝位二極管D4能夠限制漏感放電產(chǎn)生的電壓過沖幅度，縮小了功率器件的應(yīng)力等級(jí)，同時(shí)把漏感能量傳輸?shù)捷敵鲭妷哼M(jìn)行充分使用，增大該變換器的能源使用率；

(2)有源元件的軟開關(guān)工作環(huán)境。通過實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)通斷，使工作在此條件下的有源元件提高性能，改善了電路的EMI和輸出紋波，改善了電路的效率。主要有源器件如S能夠在電流為0(ZCS)時(shí)刻導(dǎo)通，D3、D4能夠在電流為0時(shí)刻截止，解決了整流二極管的反向恢復(fù)問題，并減少了開關(guān)器件的損耗；

(3)較低的輸入電流應(yīng)力。MOS管S接通時(shí)，開關(guān)電感模塊以兩個(gè)并聯(lián)的形式為耦合繞組儲(chǔ)存能量，MOS管S關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)勵(lì)磁電感以串聯(lián)的方式釋放能量，將勵(lì)磁電流一分為二，降低了耦合繞組的勵(lì)磁電流等級(jí)。