基于脈沖源單元的單一次繞組 隔離型多輸入變換器

王 勤 阮新波 張 杰 金 科

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 210016）

1 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源具有清潔無(wú)污染、儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn)，因此其開(kāi)發(fā)利用在近年來(lái)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注[1]。由于可再生能源存在能量供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變化等缺點(diǎn)，因此需要采用多種能源聯(lián)合供電。在傳統(tǒng)的新能源供電系統(tǒng)中，每種能源形式均需要通過(guò)一個(gè)直直變換器進(jìn)行電壓變換后，并聯(lián)到同一直流母線上給負(fù)載供電，該結(jié)構(gòu)目前已應(yīng)用于電動(dòng)汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)中[1-2]。但是這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)成本較高。為簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)成本，可采用一個(gè)多輸入變換器（Multiple-Input Converter，MIC）取代原先的多個(gè)單輸入變換器。

MIC 可分為同時(shí)供電和分時(shí)供電兩類。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]在Buck 變換器基礎(chǔ)上，增加多個(gè)輸入電壓源與原來(lái)的輸入電壓源并聯(lián)，可以得到基本的多輸入Buck 變換器，該方法還可應(yīng)用于Buck-Boost變換器[5-6]、Forward 和Flyback 變換器[7-8]。多輸入Forward 變換器和多輸入Flyback 變換器屬于隔離型多輸入變換器，在這些變換器中，各輸入電壓源及其串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)連接于各自獨(dú)立的變壓器一次繞組，同時(shí)共用一個(gè)變壓器二次繞組。但此類MIC 在任何時(shí)刻只有一種輸入源向負(fù)載提供能量，屬于分時(shí)供電MIC。

為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電，一些新的MIC 拓?fù)湎嗬^提出，例如Buck 和Buck-Boost MIC[9-14]，它們共用一個(gè)由電感、電容構(gòu)成的輸出濾波電路，減少了無(wú)源元件數(shù)量；多繞組隔離型MIC 包括半橋和全橋MIC等[15-19]，此類變換器實(shí)現(xiàn)了輸出電路與輸入電路電氣隔離。

文獻(xiàn)[20]提出了脈沖電源單元（Pulsating Source Cell，PSC）的概念，它包括脈沖電壓源單元（Pulsating Voltage Source Cell，PVSC）和脈沖電流源單元（Pulsating Current Source Cell，PCSC），將其應(yīng)用于非隔離型變換器中可得到一些非隔離型MIC 電路拓?fù)洹Ｎ墨I(xiàn)[21]進(jìn)一步系統(tǒng)地提出了非隔離型和隔離型脈沖電源單元，將這些脈沖電源單元合理連接，并與合適的輸出濾波電路級(jí)聯(lián)，得到了一系列非隔離型和隔離型MIC，實(shí)現(xiàn)了多輸入源既能同時(shí)又能分時(shí)地向負(fù)載傳遞能量。對(duì)于隔離型MIC，每增加一路輸入源需要增加一個(gè)一次繞組。隨著輸入源數(shù)量的增加，一次繞組也相應(yīng)增多，變壓器的制作將變得較為困難，而且各繞組之間難以做到良好的耦合，導(dǎo)致漏感較大，損耗增加。

為了簡(jiǎn)化變壓器結(jié)構(gòu)，本文采用脈沖源單元的概念提出隔離型變換器電路拓?fù)涞纳煞椒ǎ到y(tǒng)提出一族單一次繞組的多輸入隔離型變換器。在分析單輸入和多輸入變換器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將原隔離型變換器中的輸入源替換為多個(gè)脈沖電源的組合，直接應(yīng)用到Buck 型（包括正激、推挽、半橋、全橋）、Flyback 和Boost 型（包括推挽、半橋、全橋）等隔離型變換器中，生成了一族單一次繞組隔離型MIC。本文將詳細(xì)論述單一次繞組隔離型MIC的生成方法及其控制方式，以單一次繞組雙輸入Flyback 變換器為例說(shuō)明其工作原理，通過(guò)原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 單輸入隔離型直流變換器的基本結(jié)構(gòu)

單輸入隔離型直流變換器可以看成由輸入源、功率開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、高頻變壓器、輸出整流單元和輸出濾波器組成，如圖1 所示。其中輸入源是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓源或電流源（一般由直流電壓源和輸入電感串聯(lián)組成）；功率開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)由開(kāi)關(guān)管、二極管等組成，用于將輸入源變換成寬度可控的脈沖電壓或電流；高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓或電流幅值的升降，脈沖電壓或電流經(jīng)輸出整流單元整流和輸出濾波電路濾波電壓或電流中的高頻分量，獲得穩(wěn)定的直流電壓或電流供給負(fù)載。

圖1 單輸入隔離型直流變換器的基本組成 Fig.1 Basic form of the isolated single-input DC/DC converter

3 脈沖電源的類型及其連接原則

3.1 脈沖電源的分類

從圖1 可以看出，由輸入源和功率開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以獲得PSC，它分為PVSC 和PCSC。PVSC 包括Buck 型、Cuk 型和Zeta 型三類，如圖2a～圖2c 所示；PCSC 包括Boost 型、Buck-Boost 型和Sepic 型三類，如圖2d～圖2f 所示。值得說(shuō)明的是，圖2所示的PVSC 和PCSC 在文獻(xiàn)[21]中已有詳細(xì)論述，這里不再展開(kāi)。

3.2 脈沖電源的連接原則

多個(gè)PVSC 可以直接串聯(lián)，如圖3a 所示；而多個(gè)PCSC 可以直接并聯(lián)，如圖3b 所示。在這兩種組合方式中，多個(gè)輸入源既可以同時(shí)也可以分時(shí)向負(fù)載提供能量。

圖2 非隔離型PVSC 和PCSC Fig.2 The non-isolated and PCSC

由基爾霍夫定律[22]可知：①電壓大小不等的電壓源不能直接并聯(lián)；②電流大小不等的電流源不能直接串聯(lián)。由于PVSC 是包含開(kāi)關(guān)管Q 和二極管VD 的有源開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的電壓源不同。因此只要合理控制各個(gè)PVSC 中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，保證在任一時(shí)刻，只有一個(gè)PVSC 向負(fù)載提供能量， 多個(gè)PVSC 也可以并聯(lián)，如圖3c 所示。類似的，只要合理控制各個(gè)PCSC 中的開(kāi)關(guān)管，保證在任一時(shí)刻，只有一個(gè) PCSC 向負(fù)載提供能量，這樣多個(gè)PCSC 也可以串聯(lián)。但是在實(shí)際電路中，由于PCSC中的獨(dú)立電流源一般由獨(dú)立電壓源與一個(gè)電感串聯(lián)而成，并非是理想電流源。當(dāng)PCSC 不向負(fù)載提供能量時(shí)，其開(kāi)關(guān)管Q（如圖2 所示）將一直導(dǎo)通，電感電流將一直增大，直至電感飽和，損壞功率器件，因此多個(gè)PCSC 不能串聯(lián)工作。

圖3 脈沖電源的組合 Fig.3 The combination of pulsating sources

4 單一次繞組隔離型MIC 及其控制方法

4.1 單一次繞組隔離型MIC

將非隔離型脈沖源進(jìn)行串并聯(lián)組合后，替代單輸入隔離型變換器（母變換器）的輸入源即可構(gòu)成單一次繞組MIC。對(duì)于電壓源型半橋變換器中，如果將脈沖源作為其輸入，則兩個(gè)分壓電容將承受很高的脈沖電流，電路無(wú)法正常工作。而電流源型半橋變換器需要兩個(gè)完全相同的電流源，因此無(wú)法獲得單一次繞組MIC。

圖4 和圖5 給出了由Buck 型PVSC 串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成的單一次繞組隔離型MIC 電路拓?fù)洌渲杏蒔VSC 串聯(lián)構(gòu)成的MIC 的多個(gè)輸入源可以同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載提供能量，而由PVSC 并聯(lián)構(gòu)成的MIC 的多個(gè)輸入源只能分時(shí)向負(fù)載提供能量。

同理可得由非隔離Cuk 型和Zeta 型PVSC 構(gòu)成的MIC，以及Buck 型、Cuk 型和Zeta 型PVSC 三者混合連接作為脈沖輸入源構(gòu)成的隔離型MIC。

圖4 多個(gè)PVSC 串聯(lián)構(gòu)成的單一次繞組 隔離型電壓型MIC Fig.4 The isolated voltage type MIC with single primary winding generated by several PVSCs in series

圖6 給出了由Boost 型PCSC 并聯(lián)構(gòu)成的單繞組隔離型MIC 電路拓?fù)洌@些變換器既可分時(shí)又可同時(shí)向負(fù)載提供能量。

同理可得由Buck-Boost 型和Sepic 型PCSC 構(gòu)成的MIC，以及Boost 型、Buck-boost 型和非隔離Sepic 型PCSC 三者混合連接作為脈沖輸入源構(gòu)成的隔離型MIC。

圖5 多個(gè)PVSC 并聯(lián)構(gòu)成的單一次繞組 隔離型電壓型MIC Fig.5 The isolated voltage type MIC with single primary winding generated by several PVSCs in parallel

圖6 多個(gè)PCSC 并聯(lián)構(gòu)成的單一次繞組 隔離型電流型MIC Fig.6 The isolated current type MIC with single primary winding generated by several PCSCs in parallel

從圖4～圖6 可以看出，推挽型、全橋型隔離型MIC 所使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量較多一次繞組MIC 大為減少，雖然正激型、反激型MIC 中開(kāi)關(guān)管數(shù)量較多一次繞組MIC 多1 個(gè)，但開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力低于多一次繞組MIC。

4.2 控制方法

單一次繞組MIC 由脈沖源和母變換器構(gòu)成，脈沖源和母變換器必須協(xié)調(diào)控制才能保證電路的正常工作。其控制原則是：輸入功率和輸出電壓的調(diào)節(jié)通過(guò)控制脈沖電源的開(kāi)關(guān)管來(lái)完成，母變換器的開(kāi)關(guān)管則用于保證變壓器的正常工作。不同類型的MIC，其控制方式也有所差異，具體控制方式描述如下：

對(duì)于Forward 型，母變換器占空比的最大值要保證在每個(gè)脈沖源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間一次側(cè)向二次側(cè)傳遞能量，同時(shí)保證變壓器能實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位；對(duì)于Flyback 型，母變換器最大占空比是保證在每個(gè)脈沖源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間輸入源給一次側(cè)電感儲(chǔ)能。也就是說(shuō)，F(xiàn)orward MIC 和Flyback MIC 的母變換器中開(kāi)關(guān)管的占空比等于脈沖源開(kāi)關(guān)管占空比的邏輯或。圖7a 給出了雙輸入Flyback 變換器的兩輸入源同時(shí)供電時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中Dy1、Dy2、Dy分別為開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、Qm的占空比。假設(shè)Dy1＞Dy2，Q2相對(duì)于Q1的移相角為θ，即兩只開(kāi)關(guān)管Q1、Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差， 對(duì)應(yīng)的占空比為 Dθ（Dθ=θ/(2π)），Dθ的變化范圍為0～1?Dy2，設(shè)Tθ為Q2滯后Q1開(kāi)通的時(shí)間，則Tθ=DθTs，由圖7 可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)管Qm是Q1、Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯或關(guān)系。

圖7 雙輸入反激和全橋電壓型變換器 兩輸入源同時(shí)供電時(shí)工作波形圖 Fig.7 The operating waveforms of the double-input flyback and full-bridge converter (two input sources power the load simultaneously)

對(duì)于推挽、全橋（電壓源型或電流源型）來(lái)說(shuō)，母變換器中開(kāi)關(guān)管的占空比均為50%，脈沖源開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率為母變換器開(kāi)關(guān)頻率的2 倍。圖7b給出了PVSC 串聯(lián)構(gòu)成的雙輸入全橋電壓型MIC 的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和變壓器一次繞組電壓波形，其中Dy1、Dy2分別為Q1、Q2的占空比，假設(shè)Dy1＞Dy2，兩只開(kāi)關(guān)管Q1、Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差為θ，對(duì)應(yīng)的占空比為Dθ(Dθ=θ/(2π))，Dθ的變化范圍為0～1?Dy2，Dy11、Dy22分別為Qm1和Qm4、Qm2和Qm3的占空比，Ts1為開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的開(kāi)關(guān)周期，Ts為開(kāi)關(guān)管Qm1和Qm4、Qm2和Qm3的開(kāi)關(guān)周期，vAB為變壓器一次繞組電壓。由圖可見(jiàn)，Dy11和Dy22均為50%，而Q1、Q2在一個(gè)周期Ts內(nèi)等占空比開(kāi)關(guān)兩次，為母變換器Qm1和Qm4、Qm2和Qm3提供對(duì)稱電壓，保證變壓器正常磁復(fù)位。

5 單一次繞組Flyback 變換器

本節(jié)以單一次繞組雙輸入Flyback 變換器為例說(shuō)明單一次繞組MIC 的工作原理及其控制方法。

5.1 工作模態(tài)分析

單一次繞組雙輸入Flyback 變換器如圖8a 所示，圖中，Vin1和Vin2分別為兩PVSC 的輸入電壓，分別定義為1#、2#輸入源；Q1、Q2為兩PVSC 的開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2分別為兩PVSC 續(xù)流二極管，Vo為輸出電壓，Io為輸出電流，VDR1為輸出整流二極管，Cf為輸出濾波電容，RL為負(fù)載電阻。Np、Ns分別為變壓器一次及二次繞組匝數(shù)，Lp、Ls為相應(yīng)的電感，變壓器一、二次匝比為n=Np/Ns。

圖8 雙輸入flyback 直流變換器 Fig.8 The double-input flyback converter

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)所有元器件均為理想的。開(kāi)關(guān)管Q1和Q2可以同時(shí)開(kāi)通，也可以有相位差，Q1和Q2的開(kāi)關(guān)頻率可以相同也可以不相同。本文僅討論Q1和Q2的開(kāi)關(guān)頻率相同且同時(shí)開(kāi)通的控制方式。該變換器存在五種工作模態(tài)，各工作模態(tài)等效電路如圖9 所示。

（1）模態(tài)Ⅰ：如圖9a 所示，此時(shí)Q1、Qm導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，VD1和VDR1承受反壓截止。Vin1加在變壓器一次繞組上，一次繞組電流ip線性上升，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。Q2上承受的電壓為Vin2，VD1上承受的電壓為Vin1，VDR1承受的電壓為（Vin1/n+Vo）。

（2）模態(tài)Ⅱ：如圖9b 所示，此時(shí)Q2、Qm導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，VD1導(dǎo)通，VD2、VDR1反偏截止。Vin2加在變壓器一次繞組上，ip線性上升，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。Q1上承受的電壓為Vin1，VD2上承受的電壓為Vin2，VDR1承受的電壓為（Vin2/n+Vo）。

（3）模態(tài)Ⅲ：如圖9c 所示，此時(shí)Q1、Q2、Qm均導(dǎo)通，VD1、VD2、VDR1均截止。Vin1與Vin2串聯(lián)接到變壓器一次繞組上，ip線性上升，變壓器儲(chǔ)能，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。VD1上承受的電壓為Vin1，VD2上承受的電壓為Vin2，VD3上承受的電壓為[(Vin1+Vin2)/n+Vo]。

（4）模態(tài)Ⅳ：如圖9d 所示，該模態(tài)處于能量釋放狀態(tài)，此時(shí)Q1、Q2、Qm均關(guān)斷，VDR1導(dǎo)通。變壓器二次電流線性下降，儲(chǔ)存在變壓器電感中的能量一方面釋放給負(fù)載，另一方面向輸出濾波電容充電。Q1、Q2上承受的電壓分別為Vin1、Vin2，Qm上承受的電壓為nVo。

（5）模態(tài)Ⅴ：如圖9e 所示，Q1、Q2、Qm均處于關(guān)斷狀態(tài)，VD1、VD2、VDR1處于截止?fàn)顟B(tài)，變壓器中儲(chǔ)存的能量已經(jīng)釋放完畢。Q1、Q2上承受的最大的電壓分別為Vin1、Vin2，Qm不承受電壓。

由上述分析可知，只要Q1、Q2中有一個(gè)開(kāi)通，則Qm需要開(kāi)通，當(dāng)Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，Qm才關(guān)斷。Q1和Q2同時(shí)開(kāi)通時(shí)，輸入源同時(shí)供電；當(dāng)Q1和Q2分別開(kāi)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入源供電。

5.2 與傳統(tǒng)雙輸入Flyback 變換器的比較

傳統(tǒng)雙一次、單二次繞組雙輸入Flyback 直流變換器如圖8b 所示，假設(shè)兩個(gè)一次繞組匝數(shù)相等，一、二次繞組匝數(shù)比為n。表中給出了單一次繞組雙輸入Flyback 變換器和雙一次繞組雙輸入Flyback變換器的比較。可以看出，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，功率管電壓應(yīng)力下降。

圖9 不同開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路圖 Fig.9 The equivalent circuits at different switching modes

表 單一次繞組和傳統(tǒng)雙一次、單二次 繞組雙輸入Flyback 變換器的比較 Tab. The comparisons between the Flyback converter with single primary winding and the traditional Flyback converter with double primary windings and single secondary winding

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證單一次繞組雙輸入 Flyback 變換器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室完成了一臺(tái)120W 的原理樣機(jī)，其主要參數(shù)為：輸入電壓 Vin1=100V，Vin2=300V；輸出電壓Vo=48V；變壓器一、二次繞組電感分別為 Lp=415.8μH，Ls=112.5μH。圖 10給出了雙路輸入源同時(shí)向負(fù)載供電時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖10a 從上至下為：Q1、Q2和Qm的驅(qū)動(dòng)及其電壓波形，圖10b 從上至下分別為變壓器一次繞組電壓、二次繞組電壓、一次電流、二次電流波形。可見(jiàn)，Qm的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是Q1、Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯或關(guān)系，Q1、Q2和Qm的電壓應(yīng)力分別為Vin1、Vin2和nVo。

圖10 雙路輸入源同時(shí)工作時(shí)實(shí)驗(yàn)波形 Fig.10 The experimental waveforms (two input sources power the load simultaneously)

6 結(jié)論

本文在分析單輸入與多輸入變換器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將脈沖電壓源或脈沖電流源進(jìn)行串并聯(lián)組合，并直接替代單輸入隔離型變換器的直流輸入源，進(jìn)而推導(dǎo)出一族單一次繞組隔離型MIC 電路拓?fù)洹Ｔ擃怣IC 的變壓器只有一個(gè)一次繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各輸入源可同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載提供能量。

本文在給出PVSC、PCSC 的串并聯(lián)組合原則基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了單一次繞組隔離型MIC 的電路拓?fù)渖煞椒ǎo出了由Buck 型PVSC 和Boost 型PCSC 構(gòu)成的各種隔離型電壓源型和電流源型MIC拓?fù)洹Ｌ岢隽薓IC 拓?fù)涿}沖電源和母變換器的協(xié)調(diào)控制原則。以單一次繞組雙輸入Flyback 變換器為例，分析了其工作原理和控制策略，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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