DC/DC升壓隔離變換及控制技術(shù)研究

摘 要：電能是全球應(yīng)用最為廣泛的能源形式，用途廣泛，產(chǎn)生、收集電能的方法也是多種多樣的，人們?nèi)粘Ｉ钪屑橙〉碾娔芎苌偈亲匀恍螒B(tài)的，多是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器的修補(bǔ)后才進(jìn)入千家萬(wàn)戶的，經(jīng)過(guò)修補(bǔ)，電量會(huì)大大衰竭。但隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，催生出DC/DC升壓隔離變換技術(shù)，使電能從電網(wǎng)到用戶間的轉(zhuǎn)換更加和諧，本文主要以DC/DC升壓隔離變換器為主要對(duì)象進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，針對(duì)隔離升壓型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、起動(dòng)問(wèn)題、隔離變壓器漏感問(wèn)題、軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題和輸入電感磁復(fù)位問(wèn)題等進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，解決這一類(lèi)拓?fù)渌灿屑夹g(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；升壓隔離變換技術(shù)；升壓隔離控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 04-0000-01

DC/DC也叫直流斬波器，主要功能就是將固定的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兊闹绷麟妷骸⒅绷鞯蛪鹤儞Q成直流高壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣隔離就是隔離升壓型DC/DC變換器的主要特征。此技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)、地鐵和無(wú)軌電車(chē)的無(wú)級(jí)變速和控制上，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。在儲(chǔ)能系統(tǒng)和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)以及新型可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用等眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的前景，這種技術(shù)現(xiàn)已加入航天電源系統(tǒng)和新能源汽車(chē)領(lǐng)域。

一、隔離升壓DC/DC變換器變換和控制中存在問(wèn)題

與Buck（Forward）變換器的電壓源變換器相比，DC/DC變換器具有強(qiáng)大的輸出容量和飛快的變換效率，以及具有單項(xiàng)功率流，輸出電壓波紋小的特點(diǎn)，而且作為儲(chǔ)能式變壓器，能夠起到限流的作用，處于過(guò)載狀態(tài)時(shí)，可抑制功率開(kāi)關(guān)電流上升速率，使功率開(kāi)關(guān)有足夠的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)作，從而保護(hù)電路，它的穩(wěn)定性、可靠性也更高。而電壓源變換器在過(guò)載狀態(tài)時(shí)，功率開(kāi)關(guān)電流上升率就不能像DC/DC變換器那樣進(jìn)行很好的抑制，使功率開(kāi)關(guān)保護(hù)電路的緩沖時(shí)間變短。

雖然DC/DC變換器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)存在不完善的地方。

（一）起動(dòng)問(wèn)題。升壓電感上的電流在剛起動(dòng)時(shí)是無(wú)法控制的，因?yàn)槠饎?dòng)時(shí)的輸出電壓為零，升壓電感上與負(fù)載之間還存在緩沖，無(wú)法傳遞能量，這樣很用以導(dǎo)致?lián)p壞。

（二）功率開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力問(wèn)題。狀態(tài)切換時(shí)，由于變壓器漏感，功率開(kāi)關(guān)管所承受的電壓電流應(yīng)力大大增加，對(duì)開(kāi)關(guān)管的損害較大，降低了電路的可靠性。

（三）輸入磁感復(fù)位問(wèn)題。變換器停止運(yùn)行或發(fā)生故障時(shí)或發(fā)生功率開(kāi)關(guān)管突然阻斷的情況下，儲(chǔ)能電感為了釋放能量，需要復(fù)位電路，否則會(huì)導(dǎo)致電感兩段的電壓增強(qiáng)，損壞元器件。

二、起動(dòng)變換研究

（一）串電阻起動(dòng)。這種起動(dòng)方法就是在整個(gè)電路的串聯(lián)進(jìn)一個(gè)有電阻和接觸器的電路，起動(dòng)時(shí)，接通接觸器，電阻就被串聯(lián)在電路中，起到限制起動(dòng)電流的作用，然后再斷開(kāi)接觸器，使電阻旁路掉，讓原有電路恢復(fù)正常工作即可。

（二）輔助電路起動(dòng)。輔助起動(dòng)電力較為常見(jiàn)的就是正激式，起動(dòng)時(shí)即把能量傳送到負(fù)載，自己建立輸出電壓，而后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

三、磁復(fù)位控制技術(shù)研究

變換運(yùn)行過(guò)程中的升壓電感，會(huì)汲取電源的能量，并在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存，再把這些能量（不算過(guò)程中的消耗）轉(zhuǎn)到負(fù)載，待變換器運(yùn)行停止后，升壓電感在變換器運(yùn)行時(shí)汲取的能量必需全部釋放，完成磁復(fù)位，不然產(chǎn)生出的高電壓應(yīng)力會(huì)損壞元器件.能量在通過(guò)變壓器時(shí)，變壓器會(huì)一邊儲(chǔ)存一邊釋放，盡量不把能量留在變壓器上，與變壓器相同的是，變換器也會(huì)存在漏感，漏感時(shí)能量不能傳給負(fù)載，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉，也是與變壓器一樣需要將能量釋放，不然一樣會(huì)產(chǎn)生高電壓應(yīng)力，損壞零件.都不能進(jìn)行理想的磁復(fù)位.

（一）RCD磁復(fù)位。功率開(kāi)關(guān)閉斷時(shí)，相電感中電流通過(guò)的點(diǎn)充電，這樣通電過(guò)程中的儲(chǔ)能就轉(zhuǎn)移到了電容上，然后電容對(duì)電阻放電，能量會(huì)以電阻發(fā)熱的形式被消耗掉。且RCD磁復(fù)位電路，沒(méi)有過(guò)多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且價(jià)位低，對(duì)變換頻率沒(méi)有太高要求的地方非常合適。

（二）LCD磁復(fù)位技術(shù)。此方法通過(guò)對(duì)電路的一系列專(zhuān)業(yè)操作，可是變壓器產(chǎn)生的漏感能量和磁化能量完全回到電源中，在保留打開(kāi)方式的同時(shí)，使功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)閉，一般適用于開(kāi)關(guān)頻率較低的場(chǎng)合。

（三）能量反饋到輸入端的繞組復(fù)位。這種磁復(fù)位電路實(shí)際上是讓變換器進(jìn)行反激式的變換，讓電路與變壓器的同名端相反，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，磁化電感中的能量會(huì)通過(guò)復(fù)位繞組的方式返給電源，從而成功完成磁復(fù)位。該復(fù)位電路的特點(diǎn)是，首先磁化電能可完全回歸到電源里，且該技術(shù)相對(duì)成熟，其次，變壓器力的磁化電感不用必須釋放，可在電路中循環(huán)。

四、軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)發(fā)展

隨著社會(huì)發(fā)展，電子技術(shù)不斷進(jìn)步，不論在那個(gè)領(lǐng)域，設(shè)備的小型化、輕量化、易安裝、可攜帶都是基本要求，但同時(shí)一定要思考如何在減小體積和重量的同時(shí)，增大DC/DC變換器功率開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)先，變換器主要使用的還是硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，功率開(kāi)關(guān)工作時(shí)是硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它存在以下問(wèn)題：（一）功率開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通或關(guān)斷瞬間會(huì)承受較高的電壓沖擊，容易對(duì)開(kāi)關(guān)管造成損壞。（二）硬開(kāi)關(guān)技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)的損耗傷害較大，且開(kāi)關(guān)的次數(shù)越多，造成傷害的幾率及成倍增加，降低變換效率。而且對(duì)開(kāi)關(guān)的損害如果過(guò)大會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管的溫度上升，很大程度上會(huì)限制工作頻率，并且會(huì)導(dǎo)致器件的電流、電壓容量超負(fù)荷運(yùn)行。（三）大的di/dt，dv/dt將產(chǎn)生電磁干擾（Electromagnetic Interfere，EMI），很容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（四）為了改善功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，可以給它附加緩沖電路，但只是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中，系統(tǒng)總的損耗不會(huì)減小。同時(shí)，增加緩沖電路不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且提高了成本。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)正好克服了硬開(kāi)關(guān)存在的技術(shù)缺點(diǎn)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)就是指讓功率開(kāi)關(guān)管在不用必須釋放電感能量的零負(fù)荷條件下開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的損耗理論上為零，技能購(gòu)機(jī)大提升工作頻率，又可使開(kāi)關(guān)損耗降到最小，提高了變換效率，使散熱器可以減小，從而減小變換器的體積和重量。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文主要立足于DC/DC變換器升壓隔離變換及控制技術(shù)研究的關(guān)鍵性技術(shù)要求，并考慮到其在工程應(yīng)用中的實(shí)際作用及各方面因素，進(jìn)行多樣的理論分析和實(shí)際研究，為實(shí)際的工程方案設(shè)計(jì)提供充足的理論依據(jù)，并有待于在關(guān)鍵領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖文英，戴日光.寬輸入高增益隔離升壓型DC/DC變換器[J].電源技術(shù)，2012（08）：1147-1151.