輸入串聯輸出并聯全橋變換器強制負載法均壓策略

李 超，牛偉亮，周朝陽，邱瑞昌

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京100044）

隨著電力電子技術的發展，開關電源的應用場合日益廣泛。然而功率開關器件的現狀限制了開關電源在高壓大功率場合的應用。目前主流的開關器件存在著電壓和電流無法兼顧的矛盾，如：高壓MOSFET耐壓高，但是通態電阻大，通態損耗高；IGBT存在電流拖尾等[1]。模塊化、集成化的變換器系統為解決這一矛盾提供了思路。對于高輸入電壓、高輸出電流的全橋變換器（簡稱FB，full bridge）往往采用輸入串聯輸出并聯（簡稱 ISOP，input series output parallel）的方法以降低輸入器件（斬波器）的電壓應力和輸出器件（整流二極管）的電流應力[2-5]。文獻[6]提出了ISOP全橋變換器還能通過采用交錯控制的方法減小電流紋波，降低濾波參數。

然而ISOP全橋變換器存在輸入側不均壓和輸出側不均流的問題。目前，對于這一問題及其解決方案的研究十分廣泛。文獻[1]基于占空比丟失分析了產生輸入側電壓不均的原因，并提出了一種輸入電壓環結合輸出雙電流環實現均壓均流的控制策略，但并沒有從本質上分析產生輸出側電流不均的原因，以及輸出均流的實現條件，所提控制策略十分復雜，在實際運用中，多環控制的參數整定對于工程設計人員提出了不小的考驗。文獻[6]分析了輸入電容電壓穩定對輸出均流的影響，得出只要系統穩定，輸出必然均流的結論，并基于此提出了輸入電壓環實現系統均壓均流的方法，但是這種分析基于穩態條件，其穩定性分析將全橋變換器簡化為二階系統，沒有分析輸入濾波器（尤其是輸入電容）對系統穩定性的影響，且沒有分析產生輸入均壓問題的根本原因和負載電流對輸入均壓、輸出均流的影響。

本文研究了產生輸入均壓和輸出均流問題的本質，全面分析了功率器件（開關管，整流二極管）飽和壓降不一致、占空比損失不一致等因素與系統輸入不均壓的關系.基于這一分析，本文進一步探究了負載電流對輸入不均壓的影響，提出了通過均壓電阻強制給定負載的方法實現系統輸入均壓，并且給出了均壓電阻參數的整定方法。最后，搭建了一臺輸入1 100 V，輸出126 V，30 kW的樣機系統，對本文所提方法進行了驗證。

1 輸出均流分析

本文研究的對象為ISOP全橋變換器，其主拓撲如圖1所示，輸出側采用單輸出濾波器模式，即各模塊公用輸出濾波器，以節省變換器的體積和重量[7]。

圖1 ISOP全橋變換器拓撲Fig.1 The topology of ISOP-FB converter

為了便于功率分析，將圖1簡化成圖2所示模型，根據功率守恒，可得：

其中，P1為模塊1的輸入功率，Ploss1為模塊1的功率損耗 （由開關器件的導通壓降等引起），P2為模塊2的輸入功率，Ploss2為模塊2的功率損耗。

圖2 簡化模型Fig.2 The simplified model

由于輕載時，電流本來就很低，即使電流全部流過單一模塊，器件的電流應力也很低，輕載時的輸出電流問題的研究沒有意義，因此本文對于輸出電流問題的研究基于重載的條件。在重載條件下，器件導通壓降及吸收損耗等引起的功率損失遠小于系統功率，因此，式（1）簡化為：

對于直流系統，穩態時，電容的平均電流為0，所以有：

將式（3）代入式（2），得：

由此可知，在重載條件下，實現輸出均流的充要條件是實現輸出均壓。

2 輸出均壓分析

將式（3）代入式（1）得：

由此可知，引起輸入均壓問題的根本原因是功率的不一致。

將引起變換器兩模塊功率不一致的原因分為如下幾類：1）由器件管壓降等引起的電壓損失不一致；2）由開關管導通延時等引起的占空比損失不一致；3）與負載電流存在正比例關系的其它功率損失。由此建立如圖3所示的等效電路。

圖3 等效電路Fig.3 The equivalent circuit

圖3 中，R0表示負載電阻經過等效變換得到的等效電阻，Us1、Us2表示開關器件（IGBT和整流二極管）飽和壓降經過等效變換得到的電壓降，Pd1、Pd2表示由于上下模塊占空比不一致導致的功率不一致，它實際上不是一種功率損失，但是為了便于分析，將其等效為功率損失計算。Pl1、Pl2表示其它與負載電流存在正比例關系的功率損失。下面逐一分析它們對系統均壓的影響。為了便于分析，每分析一類因素時，將其它兩類忽略。

1）開關器件導通壓降不一致

每組模塊每次開通2個IGBT和1個二極管，所以：

其中n為變壓器變比（本系統為3.4:1）。UCE表示三極管飽和壓降，Uon表示二極管道統壓降。工程上，IGBT和二極管往往采用同一型號，同一批次生產。其管壓降之差往往不超過0.1 V。所以：

根據穩態時，輸入電容的平均電流為0，所以有：

將式（7）代入式（8），得△Uc=△Us≤0.54 V

由此可知，由飽和壓降引起的電壓不一致引起的輸入電壓不均遠小于輸入電壓1 500 V，對于器件電壓應力的影響可忽略不計。

2）與負載電流成正比關系的功率損失

這類損失包括線路寄生參數、開關損耗等引起的損失，設：

將式（9）代入式（5）得：

由此可知，這類功率損失引起的輸入不均壓與λ的差值有關，差值越大，輸入不均壓越嚴重。實際上，λ1、λ2值本身就很小，對輸入均壓影響不大；而且這類不均壓問題一旦系統確定，在負載等外部條件發生變化時也會保持相對穩定，因此工程上可以通過一定的補償來解決。

3）占空比損失不一致

對于直流系統，LC濾波器不產生電壓降，因此當系統工作于連續電流工況時，占空比d保持恒定，而當系統工作于電流斷續工況時，占空比d將隨著負載電流的大小而變化，負載越低，占空比越小。所以，對于占空比損失不一致造成的輸入不均壓問題，應當分成電流連續和電流斷續工況分別分析。

①電流連續時

電流連續時，等效負載電阻有：

由于電流連續時，占空比保持恒定，設占空比不一致程度：

又穩態時，輸入電容電壓與等效負載電阻存在如下關系：

將式（11）、（12）代入式（13），并約去高階小量（α2），得：

由此可以看出，當系統工作在電流連續狀態時，由于α很小，對輸入均壓影響很小，同樣的，這類不均壓也是確定的，可以通過適當的補償來解決。

②電流斷續時

電流斷續時，上下模塊功率分別為：

其中，TS表示開關周期。 將式（5）代入式（15）得：

化簡得：

對于一個確定的，沒有均壓控制環的ISOP直流系統，控制器給上下模塊發送相同的占空比，但是由于上下模塊的導通延時、關斷延時的不一致，上下模塊的實際占空比產生了差異。當負載較低時，占空比也隨之降低（斷續情況下），此時實際占空比差異凸顯出來，表現為增大，根據式（17），則UC1和UC2的差異增大。由此得出一個結論，即系統輸入不均壓隨著負載電流的降低而增大。由此可知，引入均壓電阻強制增加輸入電流的方法來解決系統輸入不均壓的方法是可行的。只要合理配置均壓電阻，當負載電流較高時，由負載電流起主要作用，系統可以實現均壓。當負載電流較低時，由均壓電阻起主要作用，強制均壓。

3 均壓電阻參數整定

引入均壓電阻后，系統等效電路如圖4所示。

圖4 引入均壓電阻的等效電路Fig.4 The equivalent circuit with equalizing resistance

由此可得上下模塊的功率分別為：

其中，Ra即為均壓電阻。設：

已知：

將式（5）、（19）、（21）代入式（18），并化簡得：

其中：

由于計算過程復雜，直接給出結論，當：

時，上下模塊輸入電壓差△取得最大值：

由式（25）可知，均壓電阻越小，A越大，△max越小，也即：減小均壓電阻阻值可以抑制輸入不均壓。這進一步驗證本文所提均壓方法在理論上是可行的。然而，過小的均壓電阻會帶來較大功率消耗，從而降低系統的效率。工程上，應當給出系統允許的模塊最大輸入電壓差△max，如2%的輸入電壓，再通過脈沖實驗，測得上下模塊占空比之差，即可根據式（25）、（23）求得相應的均壓電阻阻值。

4 仿真驗證

為了驗證采用均壓電阻強制均壓方法的正確性，對所述

全橋變換器引入強制均壓電阻，并進行仿真。仿真參數為：輸入電壓Uin為1 500 V，輸出電壓Uo為126 V，變壓器變比n為3.4:1，電感L為0.1 mH，開關頻率為5 kHz，兩模塊占空比之差設為均壓電阻阻值選為0.2%（0.4 μs），均壓電阻阻值選為10 kΩ。圖5 為仿真波形。

仿真結果表明，采用強制負載均壓法無論在重載工況還是輕載工況，均壓效果都十分理想。

圖5 仿真波形Fig.5 The simulation waveform

5 實驗結果

為了進一步驗證本文所提強制負載均壓法的有效性及參數整定方法的正確性，搭建了一臺輸入1 100 V，輸出126 V，功率為30 kW的ISOP全橋直流變換器系統。

圖6 實驗波形Fig.6 The experimental waveforms

圖6 所示波形，是在實驗過程中發生了負載突變，從而導致了輸入電壓發生了突變，由圖6可以看出，在負載變化的過程中，輸入電容電壓能夠迅速跟蹤輸入總電壓的1/2，均壓效果十分理想。

6 結束語

本文探究了產生輸入均壓問題的本質：即功率不均（如占空比損失不一致引起的功率不均）導致各模塊的輸入不均壓；研究了ISOP系統輸入均壓和輸出均流的關系，得出結論：在穩態下，只要實現了輸入均壓，即可實現輸出均流。本文首次全面、量化地分析了功率器件（開關管，整流二極管）飽和壓降不一致、占空比損失不一致等對系統輸入不均壓的影響，得出結論：重載時，這些因素都不會產生值得關注的系統輸入不均壓，輕載時占空比損失是產生輸入不均壓的主要原因。基于這一結論，提出了強制負載均壓法實現ISOP系統的輸入均壓，進而分析并得出了強制均壓電阻參數與系統輸入均壓程度的關系公式。由此，得出了強制均壓電阻參數整定方法。為工程中采用本文所提方法實現輸入均壓提供了依據。仿真和實驗結果驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

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