Buck—Boost隔離直流轉換器設計

摘 要：在BuckBoost隔離直流轉換器寬范圍輸入電壓的條件下，分析了典型的全橋Boost轉換器拓撲結構，由于存在的諧振電感包括漏電感，全橋Boost轉換器只能采用雙邊沿調制。該轉換器采用UC3895作為控制器，對全橋單元采用移相轉換控制的方式，為了提高全橋Boost轉換器系統的可靠性和效率，采用三模式兩頻率控制方式，在輸入寬范圍電壓的情況下，最高500 V輸入，360 V輸出。在此采用Matlab軟件進行仿真，實驗結果表明輸入電壓平均效率范圍是96.2%，最高效率能達到97.5%。

關鍵詞：BuckBoost； 隔離直流轉換器； 全橋Boost轉換器； 脈寬調制； 雙邊沿調制

中圖分類號：TN71034 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22018903

0 引 言

可再生能源的利用最近受到世界各地的關注，包括不斷增長的能量需求和迫切需要減少空氣中的碳排放。光伏能源一直是一個有前途的新型的可再生能源，由于其零污染（包括空氣和噪音），所在的位置不需要太多限制，并易于維護。如今，風力發電并網的光伏系統［1］已經成為了一個重要用電方法。風力發電并網逆變器成為風力發電并網光伏系統的一個重要部分，它深刻影響著整個系統的效率和成本。目前，最受歡迎的風力發電并網逆變器的配置是兩級聯配置組成的一個前端直流轉換器和一個變頻器，因此直流轉換器的設計尤為重要，這里采用的是BuckBoost隔離直流轉換器。

1 轉換器拓撲＼[2＼]

圖1表示隔離直流轉換器，在Buck單元選擇的是全橋模塊，這個轉換器稱為FBBoost轉換器。圖1中電源開關Q1～Q4的二極管和結電容二極管被忽略了，諧振電感Lr包括變壓器的漏電感在全橋單元的電源開關中用來實現零電壓ZVS［34］。需要注意的是當沒有諧振電感Lr并且變壓器的漏電感為零時，提出了FBBoost轉換器是可行的，FBBoost轉換器［45］的特點與TSBB轉換器基本相同。然而，變壓器的漏電感在實際電路中是不可避免的，并且在全橋轉換器中也是不可避免的，引入一個外部變壓器的諧振電感實現功率開關的零電壓。

圖1 FBBoost型隔離BuckBoost直流轉換器由于在全橋單元中存在的諧振電感Lr，V1的周期小于VAB的周期。這種現象可以表示成：Dloss=4kLrILf_avfs/Vin

（1）式中：ILf_av為電感Lr的平均電流；k是變壓器初級繞組的變壓比；fs是全橋單元的開關頻率。

只有當Qb關斷的時候，電感電流iLf才會通過二極管Db，因此平均電感電流可以表示為：ILf_av=I01－d2

（2）式中：ILf_av為輸出電流；d2為Qb的工作周期，將式（2）代入式（1）得：Dloss=4kLrI0fsVin（1－d2）

（3） 同樣，電感兩端的平均電壓為：V1=（d1－Dloss）kVin=d1_effkVin

（4）

V2=（1－d2）Vout

（5）式中d1為全橋單元的工作周期

在穩定的狀態下，在每次Qb開關時Lf二次電壓接近零，也就是Lf兩端的平均電壓都是平等的，因此可以得出：V1=V2

（6）將式（3）～式（5）代入式（6）得出輸出電壓為：Vout=d1_eff1－d2kVin=d11－d2kVin－4k2LrI0fs（1－d2）2

（7） 從式（7）中可看出，FBBoost轉換器的輸出電壓不僅與全橋單元和Boost單元的工作周期有關，而且與輸出電流、共振電感和開關頻率有關。

為了減少電感的脈動電流，通過移相TEM控制的方法來實現減少電感的脈動電流。

為了驗證FBBoost轉換器和控制方案有效，輸入250～500 V，輸出360 V、6 W額定功率。參數如下：

（1） 全橋單元Q1～Q4：SPW47N60C3；

（2） 整流二極管DR1～DR4：DSEI6006；

（3） Boost單元Qb：SPW47N60C3；

（4） Boost單元Db： SDP30S120；

（5） 電感Lf為310 μH；

（6） 輸出電容Cf為4 760 μF；

（7） 諧振電感Lr為5 μH；

（8） 變壓比k=1；

（9） 全橋單元開關頻率fs=50 Hz；

（10） Boost單元fs_b=100 Hz；

在圖2中，（a）為全橋單元的下邊沿調制和Boost單元的上邊沿調制，（b）為全橋單元的上邊沿調制和Boost單元的下邊沿調制。

2 控制器的設計

圖3～圖5顯示了所提出的控制方案的控制框圖。

在圖3中，輸入電壓的采樣信號被送到控制模塊，即Vin/H，H為取樣系數，通過比較Vin/H來確定FBBoost轉換器的操作模式。此外，CON1，CON2和CON3是用來選擇FB模式、Boost模式和FBBoost模式信號。

圖2 TEM控制FBBoost變換器的波形圖

圖3 模式控制信號

圖4 全橋單元控制器

圖5 Boost單元控制器在全橋單元和Boost單元中有兩個獨立的輸出電壓校準器，在CON1，CON2，CON3分別為不同的高低壓狀態時，如表1所示。

在圖4中，顯示了一個移相控制器UC3895［89］和一個PWM控制器UC3525，用來控制全橋單元和Boost單元，Q1～Q4是UC3895的驅動信號，特別是Q1和Q3是全橋單元超前的驅動信號開關，Q2和Q4是全橋單元滯后的驅動信號開關，Q1和Q3的驅動信號被送到或非門，給一個脈寬輸出的脈沖信號，相當于Q1和Q3的關斷，然后脈沖信號被送到SYNC。

在圖5接收到來自SYNC的信號后，送到UC3525［10］，作為Boost單元的同步信號，最后實現FBBoost轉換器的TEM。

3 Matlab軟件仿真實現

通過Matlab仿真得到4組仿真數據，如圖6所示。

圖6 Matlab仿真TEM控制FBBoost轉換器的波形圖圖7得出在TEM控制下，轉換效率得到了提高。

4 結 語

本文提出了隔離型BuckBoost轉換器，給出了一系列的高效率控制策略。利用移相控制的雙邊沿調制方法，考慮了占空比的問題，以相對簡單的方式來實現全橋Boost轉換器使整個輸入電壓范圍內的電感電流的脈動最小化，在保證變壓器不飽和的情況下，減小開關損耗。最終實現BuckBoost變換器及其控制方法的有效性。

參 考 文 獻

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