交錯(cuò)并聯(lián)BUCK變換器的仿真研究

李娜

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

近年來(lái)，由于能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，因此能源問(wèn)題成了影響整個(gè)國(guó)際發(fā)展的一個(gè)重要因素，而如何能高效地利用能源成了當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者已開(kāi)始關(guān)注光伏和燃料電池等新能源技術(shù)。但是由于新能源的發(fā)電效率受氣候條件和天氣變化的影響較大，從而使得輸出電能不連續(xù)、不穩(wěn)定，因此需要加入儲(chǔ)能用的雙向DC/DC變換器，使新能源能在不同的工作情況下都能穩(wěn)定工作。因此本文研究的是雙向DC/DC變換器中最基本的拓?fù)銪UCK電路。

雙向DC-DC變換器的發(fā)展趨勢(shì)包括提高功率密度、提高變換效率、和改善可靠性等。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，其計(jì)算速度不斷提高、功能逐漸地增強(qiáng)，一些新穎的控制方案也逐漸增長(zhǎng)。在一些需要輸出大電流的場(chǎng)合，比如新能源行業(yè)，常常使用的是交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可以有效較小輸出電流紋波，本文就主要針對(duì)該技術(shù)對(duì)BUCK電流的單相-三相電路，應(yīng)用PSIM軟件進(jìn)行分析研究。

1 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的介紹

交錯(cuò)并聯(lián)是一種并聯(lián)操作模式，M信道的并聯(lián)交錯(cuò)是指各個(gè)并聯(lián)通道的切換頻率一致，但在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，依次錯(cuò)穿過(guò) M信道的時(shí)間。例如，用兩信道的并聯(lián)技術(shù)來(lái)說(shuō)，它的并聯(lián)運(yùn)作方法有三種情形：（1）在兩個(gè)信道同步觸發(fā)的情況下，所有的電路都類似于單一信道；（2）兩個(gè)信道相對(duì)于相互獨(dú)立的觸發(fā)，其觸發(fā)頻率不完全一致，而兩個(gè)信道的輸出電流紋波具有隨機(jī)相消或疊加的；（3）在同一頻率下，各信道的觸發(fā)控制信號(hào)相互交錯(cuò)，因此，輸出電流的紋波可以互相抵消，從而極大地減少，而輸出紋波的頻率也隨之增加為了單一信道2倍。從以上的分析可以看出，交錯(cuò)并聯(lián)是指并聯(lián)運(yùn)行的各信道的控制信號(hào)的頻率一致，但是它具有相位是并聯(lián)運(yùn)行的模式。

與常規(guī)單相電路結(jié)構(gòu)相比較，多相交錯(cuò)并聯(lián)采用交錯(cuò)疊加相消的方法，使變換器的總輸出電感電流紋波比各個(gè)相小。交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)認(rèn)為，可以有效地提高 DC開(kāi)關(guān)變流器的頻率和微小的化。同時(shí)，本文還介紹了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

（1）在同樣的開(kāi)關(guān)頻率下，交錯(cuò)控制能降低輸出紋波，使輸出電流的頻率增大并聯(lián)相信，從而有效地減小轉(zhuǎn)換器的體積，從而有利于輸出濾波網(wǎng)絡(luò)及電磁干擾的設(shè)計(jì)；

（2）多個(gè)模塊并聯(lián)系統(tǒng)中，每個(gè)模塊的功率只為總功率的1/N，有利于功率和熱量的均勻分布；

（3）多相并聯(lián)反映了冗余設(shè)計(jì)概念，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠工作。

2 單相BUCK變換器原理介紹

單向BUCK變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 BUCK變換器的電路結(jié)構(gòu)圖

其中輸入電壓為，輸出電壓為，電感參數(shù)為L(zhǎng)1，電容參數(shù)為C1。則有以下分析：

在功率開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通的情況下，L1電流增大，因?yàn)镃1的電壓很小，因此L1電流增大的速度比穩(wěn)定，而C1會(huì)被充電，從而使C1的兩端的電壓不斷上升；在Q關(guān)斷的情況下，二極管D在導(dǎo)通狀態(tài)下，L1上的電壓與電流方向相反，從而降低了L1的電流。在此變換器開(kāi)始，由于各周期電感電流的增加，其減量比其減量大，而C1兩端電壓在周期中處于充電狀態(tài)，而當(dāng)切換周期的增大時(shí)，各切換周期的電感電流值會(huì)隨時(shí)增大，直到C1兩端的電壓達(dá)到穩(wěn)定值U2，這時(shí)，電感電流的增加和減量是一致的，而變換器的工作處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此有以下計(jì)算：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管D截止，電感L1上的電壓為：

若在這期間輸出電壓保持不變，根據(jù)KVL定律則有：

顯然d=，其中為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。

則導(dǎo)通過(guò)程的電流變化為：

又因?yàn)殡姼械碾妷汗綖椋?/p>

顯然d=，=（1-）。則導(dǎo)通過(guò)程的電流變化為：

導(dǎo)通與關(guān)斷期間電感中的電流變化量相等，電路才能達(dá)到平衡。

2.1 單相BUCK變換器仿真

如圖2所示是單相BUCK變換器的仿真圖，輸入電壓為，輸出電壓為，通過(guò)仿真可以得到，當(dāng)頻率為800 Hz，輸出電壓從0～1 000 V變化時(shí)，電感電流的紋波變化曲線圖如圖3所示。從圖中可以分析看出，在單相BUCK電路中，電感電流紋波最大值是在輸出電壓在輸入電壓的一半處，根據(jù)這個(gè)規(guī)律，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，可以避免設(shè)計(jì)二分之一輸出電壓這個(gè)規(guī)格。

圖2 單相BUCK變換器仿真圖

圖3 電感電流的紋波變化曲線圖

2.2 電感紋波的理論計(jì)算

2.3 單相輸出電壓紋波的理論計(jì)算

同樣也可以計(jì)算出輸出電壓的紋波，當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為流進(jìn)輸出電容的紋波電流等于電感的紋波電流：

電容上的 電壓變化值為：

3 雙相BUCK變換器的研究

從圖4中可以看出，雙相BUCK變換器的模擬圖中，通常使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的交錯(cuò)。利用兩個(gè)切換管的脈寬相等，但導(dǎo)通時(shí)間差異，使交錯(cuò)并聯(lián)。其中，輸入電壓是的，而輸出電壓是最大的。在此電路中，由于兩個(gè)通路的電流相位不同，其紋波互相抵消，從而減少了輸出電流的總紋波。以下是S1開(kāi)關(guān)管任意一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間，并對(duì)其工作狀況進(jìn)行了分析：

圖4 雙相BUCK變換器仿真圖

階段1，切換管S1接觸開(kāi)通，二極管D2續(xù)流，切換管S2和二極管D1截止，電感L1存儲(chǔ)能量，同時(shí)電流升高，電容C1在充電狀態(tài)。

階段2，開(kāi)關(guān)管S1及S2均截止，二極管D1及D2續(xù)流狀態(tài)，電感L1及L2的電流降低，電容C1在放電狀態(tài)。

階段3，切換管S2接觸開(kāi)通，二極管D1續(xù)流，切換管S1及二極管D2截止，電感儲(chǔ)存能量的同時(shí)，電流升高，電容C1在充電狀態(tài)。

階段4，開(kāi)關(guān)管S1及S2均截止，二極管D1及D2續(xù)流狀態(tài)，電感L1及L2的電流降低，電容C1在放電狀態(tài)。

通過(guò)仿真也可以得到，當(dāng)頻率為800 Hz，輸出電壓從0～1 000 V變化時(shí)，電感電流的紋波變化曲線圖如圖5所示。在雙相BUCK電路中，電感電流紋波最大值是在輸出電壓在輸入電壓的四分之一與四分之三處，根據(jù)這個(gè)規(guī)律，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，可以避免設(shè)計(jì)該輸出電壓的這個(gè)規(guī)格。

圖5 電感電流的紋波變化曲線圖

同理根據(jù)之前的推算可以得到兩相輸出電壓紋波的理論計(jì)算：

根據(jù)之前對(duì)單相的分析，可知對(duì)于兩相電路，流進(jìn)輸出電容的紋波電流相當(dāng)于Δ和Δ的疊加，則有：

則電容上的電壓變化值為：

4 三相BUCK變換器的研究

如圖6所示是三相BUCK變換器的仿真圖。圖中輸入電壓為，輸出電壓為，通過(guò)仿真，可得到，在頻率是800 Hz，輸出電壓從0～1 000 V變化時(shí)，通過(guò)分析輸出電流紋波的變化曲線圖，有最大紋波在輸入電壓的六分之一處的關(guān)系。

圖6 三相BUCK變換器仿真圖

三相BUCK變換器輸出電壓紋波的理論計(jì)算：

根據(jù)之前對(duì)單相和兩相的分析?？芍獙?duì)于三相電路，流進(jìn)輸出電容的紋波電流相當(dāng)于Δ、Δ和Δ的疊加，則有：

則電容上的電壓變化值為：

5 結(jié) 論

交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能有效降低每個(gè)信道流動(dòng)的電流，減少輸出總電流的紋波和開(kāi)關(guān)損失，減少電容、電感取值的降低，使整個(gè)電路的體積下降，功率密度增大。本論文總體上對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)的基本原理、變換器的工作流程進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)單相、雙相和三相 BUCK變換器進(jìn)行了深入的探討，分析得出每相電路的最大紋波的位置，并且得出了三相BUCK變換器能更好地減小電流紋波系數(shù)和和電壓紋波系數(shù)，這可以很大程度上提高變換器的性能，并且在對(duì)蓄電池充放電時(shí)，紋波越小，也能更好地保護(hù)電池。