一種新型降壓諧振開關(guān)電容變換器

楊莉，吳天強，梁勇，唐標(biāo)

（1.云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，云南昆明650200；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京102200）

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，帶來了以煤炭、石油、天然氣等為代表的化石能源不能滿足各國的能源消耗需求問題和其燃燒所造成的環(huán)境污染問題[1-2]。以可再生能源為主的分布式發(fā)電技術(shù)，因為其環(huán)保可再生的優(yōu)點成為大力發(fā)展的新型發(fā)電技術(shù)。目前，分布式電源在電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3-11]。圖1是分布式電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出分布式電源系統(tǒng)有3級，第1級將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成48 V的直流母線電壓，第2級運用降壓變換器將48 V的直流母線電壓轉(zhuǎn)換成12 V的直流母線電壓，第3級將12 V電壓降到負(fù)載所需的電壓等級。傳統(tǒng)的Buck變換器受到極限占空比的影響，不能滿足降壓的需要。文獻[12]提出的將二次型Buck電路和開關(guān)電容串并聯(lián)單元相結(jié)合得到的二次型開關(guān)電容Buck變換器（SC-QBC）具有高降壓特性，但是開關(guān)管的電壓應(yīng)力很高[13]，需要高電壓等級的開關(guān)管，增加了變換器成本，并且高壓開關(guān)管的導(dǎo)通電阻高，會導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增加；另一方面，由于變換器的開關(guān)是硬開關(guān)，將導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，使開關(guān)管的工作頻率提高受到限制，不利于變換器的小型化、輕量化[14]。

圖1 分布式電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of distributed power system

針對SC-QBC變換器存在的問題。文章提出了一種新型降壓諧振開關(guān)電容變換器。在CCM模式下進行理論分析可知，開關(guān)管的電壓應(yīng)力變小，開關(guān)電容諧振放電，諧振回路上的開關(guān)管和二極管都實現(xiàn)了零電流關(guān)斷（ZCS），降低了損耗，提高了開關(guān)頻率。最后搭建了一臺48 V轉(zhuǎn)12 V的實驗樣機，驗證了理論分析的正確性。

1 新型變換器的工作原理分析

為了簡化分析，本文以二階開關(guān)電容串并聯(lián)單元為例，介紹變換器的工作原理。二階諧振開關(guān)電容降壓變換器的主拓?fù)淙鐖D2所示?？梢姡儞Q器是在SC-QBC變換器的基礎(chǔ)上增加了諧振電感Lr、二極管D3、電容C2得到。在進行電路分析時，電壓電流小寫（例如uL1）代表瞬時值，大寫（例如UL1）代表平均值。

圖2 二階降壓諧振開關(guān)電容變換器Fig.2 2-stage step-down RSC converter

由于電路中兩個電容C1i（i=1，2）并聯(lián)放電時，分別和Lr串聯(lián)諧振放電，會引起二極管D2，Da，Db的零電流關(guān)斷，與SC-QBC拓?fù)湎啾龋黾恿艘粋€模態(tài)，所以新拓?fù)涔ぷ髟谌N模態(tài)下，不同模態(tài)下的等效電路如圖3所示，其主要工作波形如圖4所示。串聯(lián)諧振放電的時間為D0T，開關(guān)管S受到周期為T、占空比為D的脈沖信號ug驅(qū)動。

圖3 變換器在三種工作模態(tài)下的等效電路Fig.3 The equivalent circuit of the converter in three operating modes

圖4 電路主要工作波形Fig.4 The main waveforms of circuit

1）模態(tài)1：NT

模態(tài)1的等效電路如圖3a所示。在t=NT時，開關(guān)管S、二極管D2，D3，Da，Db導(dǎo)通，D1，D4，Dc承受反向電壓關(guān)斷，兩個電容C1i并聯(lián)放電，電感L1通過電源uin充電，電感L2和電容C2通過電源uin和C1i充電，其中 C1i和 Lr串聯(lián)諧振放電，在 t=（N+D0）T時，二極管D2零電流關(guān)斷，諧振結(jié)束，此時C1i停止放電，該模態(tài)結(jié)束。該模態(tài)下電壓關(guān)系如下式：

模態(tài)1的持續(xù)時間為D0T=二極管D2，Da，Db零電流關(guān)斷，減小了高反向電流和長恢復(fù)時間帶來的關(guān)斷損耗。

2）模態(tài)2：（N+D0）T

模態(tài)2的等效電路如圖2b所示。在t=（N+D0）T 時，開關(guān)管 S、二極管 D3仍導(dǎo)通，D1，D4，D2，Da，Db，Dc關(guān)斷，uin通過開關(guān)對電感和電容充電，在t=（N+D）T時，開關(guān)管S關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。該模態(tài)下電壓關(guān)系如下式：

在開關(guān)管關(guān)斷時刻，流過D2的電流為0，此時開關(guān)管S中流過的電流iS=iL1。第2級實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流關(guān)斷，減小了開關(guān)損耗。

3）模態(tài)3：（N+D）T

模態(tài)3的等效電路如圖3c所示。在t=（N+D）T時，開關(guān)管S關(guān)斷，二級管D2，D3，Da，Db承受反向電壓關(guān)斷，D1，D4，Dc導(dǎo)通，兩個電容串聯(lián)充電，電感 L1通過 D1，Dc對 C1充電，電感 L2通過 C2，D4，Ro，Co續(xù)流，電容 C2放電，在 t=（N+1）T 時，開關(guān)管導(dǎo)通，該模態(tài)結(jié)束。該模態(tài)下電壓關(guān)系如下式：

2 變換器穩(wěn)態(tài)工作性能分析

2.1 穩(wěn)態(tài)電壓增益

對新型拓?fù)溥M行穩(wěn)態(tài)分析，在1個周期T內(nèi)，由Lr的伏秒平衡可以得到：

所以有：

由 L1，L2的伏秒平衡[10]可以得到：

聯(lián)立式（8）～式（10），求解得到：

令

式中：M為變換器的電壓轉(zhuǎn)換比。

在變換器處于模態(tài)3時，通過KVL可以計算出開關(guān)管電壓應(yīng)力為

2.2 和SC-QBC變換器比較

表1是新型拓?fù)渑cSC-QBC拓?fù)涞谋容^，表中列出了兩個拓?fù)涞碾妷恨D(zhuǎn)換比、開關(guān)管電壓應(yīng)力與輸入電壓的比值。

表1 SC-QBC拓?fù)浜托滦屯負(fù)浔容^Tab.1 Comparison between SC-QBC topology and new topology

圖5和圖6分別是SC-QBC拓?fù)渑c新型拓?fù)湔伎毡群碗妷恨D(zhuǎn)換比的關(guān)系曲線以及占空比和開關(guān)管電壓應(yīng)力與輸入電壓的比值關(guān)系曲線。

圖5 占空比和電壓轉(zhuǎn)換比關(guān)系曲線Fig.5 Relation of duty cycle and voltage conversion ratio

圖6 占空比和開關(guān)管電壓應(yīng)力與輸入電壓的比值關(guān)系曲線Fig.6 Relation of duty cycle and the ratio of switching voltage stress and input voltage

通過圖5可以看出，新型拓?fù)浜蚐C-QBC拓樸的電壓轉(zhuǎn)換比相比，變化不大，同樣具有高降壓特性。通過圖6可以直觀地看到，新型拓樸開關(guān)管的電壓應(yīng)力變小了，有利于減小開關(guān)管的損耗。

3 n階降壓諧振開關(guān)電容變換器

圖7是新型n階降壓諧振開關(guān)電容變換器的拓?fù)鋱D。

圖7 n階降壓諧振開關(guān)電容變換器Fig.7 A n-stage step-down RSC converter

通過推導(dǎo)可以得到：

4 實驗驗證

4.1 實驗參數(shù)選擇

為了驗證新型變換器的可行性，以及和SCQBC變換器相比，新型變換器具有開關(guān)管電壓應(yīng)力減小、第2級實現(xiàn)了零電流關(guān)斷（ZCS）的特點，對新型降壓變換器搭載了實驗樣機，并搭載了SC-QBC變換器樣機，作對比實驗，電路參數(shù)選擇為：L1=150 μH，L2=200 μH，Lr=4.7 μH，fs=67 kHz，C1i=0.68 μF，C2=10 μF，Co=100 μF，Uin=48 V，Ro=6 Ω，Uo的理論值為12 V。開關(guān)管采用IRF1-00B202；二級管 D1，D4采用 MBRS3200；D2，D3采用SR3100。

4.2 實驗結(jié)果

圖8a和圖8b分別是新型拓?fù)浜蚐C-QBC拓?fù)溟_關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力。可見新型拓?fù)涞拈_關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力較小，從圖中還能看出，兩個拓?fù)涞拈_關(guān)管的PWM驅(qū)動波形的占空比相差不大，也就是兩個拓?fù)涞碾妷涸鲆嫦嗖畈淮蟆?/p>

圖8 開關(guān)管的電壓應(yīng)力Fig.8 The voltage stress on switch

圖9a和圖9b分別是新型拓?fù)浜蚐C-QBC拓?fù)涠O管D2的電流波形?？梢娦峦?fù)涞碾娙軨1i和Lr諧振放電，第2級實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流關(guān)斷，同時二極管D2，Da，Db實現(xiàn)了零電流關(guān)斷，降低了損耗。

圖9 二極管D2的電流Fig.9 The current of diode D2

圖10是輸出功率變化時新型拓?fù)浜蚐CQBC拓?fù)湫首兓瘓D，由圖10可知，新型拓?fù)涞男矢?，最高達到了86%。

圖10 效率曲線Fig.10 Efficiency curves

綜上所述，實驗結(jié)果和理論分析基本一致，故可以確定該新型降壓變換器理論正確。

5 結(jié)論

本文通過對SC-QBC變換器進行改進，提出了一種新型降壓諧振開關(guān)電容變換器。理論分析了其在穩(wěn)態(tài)下的工作原理、降壓特性、開關(guān)管的電壓應(yīng)力。實驗結(jié)果表明新型變換器具有以下特征：

1）有高降壓特性，SC-QBC變換器適用的場所，它同樣能夠適用。

2）新變換器的開關(guān)管的電壓應(yīng)力變小，解決了開關(guān)管高電壓應(yīng)力問題。

3）第2級通過添加的諧振電感實現(xiàn)了零電流關(guān)斷（ZCS），減小了開關(guān)損耗，提高了工作頻率和工作效率，有利于變換器的小型化，如果使用同步整流技術(shù)，效率將進一步得到提升。

4）在第2級諧振放電的同時，二極管D2，Da，Db零電流關(guān)斷，其反向恢復(fù)問題得到解決，降低了損耗。