一種新型低成本雙極型組合轉換器設計

王 磊，丁 燕

（黃河水利職業技術學院自動化工程系，河南開封475004）

一種新型低成本雙極型組合轉換器設計

王 磊*，丁 燕

（黃河水利職業技術學院自動化工程系，河南開封475004）

為了降低直流微電網DC-DC轉換器的成本，提出了一種新型低壓直流雙極型組合轉換器。相比傳統的轉換器，該雙極型組合轉換器采用新的拓撲結構，結合了單端初級電感轉換器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk轉換器，并且共享開關節點。該拓撲結構的主要優勢在于不需要嚴格控制各種開關的同步性，并且控制終端連接到了地面，從而大大簡化了柵級驅動的設計，降低了實現成本。不同的負載條件下對提出的轉換器進行了性能測試驗證，實驗結果表明提出的轉換器十分適用于直流微電網，即使在失衡情況下也能完成電壓調節能力，實測轉換效率均保持在84%與87%之間。

組合轉換器；雙極型直流網絡；Cuk轉換器；單端初級電感轉換器

現代社會中計算機、日光燈或LED燈、家用電器、商業電器、工業電器等消費類設備，均需要直流電，并且根據現實供電情況，所有的直流負載均需要將可用的交流電轉換成直流電［1］。通常情況下，大多數轉換階段都會使用低效率的整流器。

另一方面，大部分可再生能源裝置以直流電的形式發電，需要電流轉換器，以便使各自的輸出滿足不同的網絡條件，然而DC-AC-DC功率轉換階段會造成大量能量損耗［2］。由于可以避免出現轉換，在許多情況下，直流微電網成為了十分合理的解決方案。相比交流微電網，直流微電網有許多優勢［3-4］：效率高、電力傳輸多、所需電線少、穩定性強、線路無電抗、無暫態穩定性問題、無電磁干擾以及線路電阻較低。

由于微電網具有上述優勢，越來越多的網絡帶有該拓撲結構。最初，微電網用于大型數據中心，例如：在美國英特爾公司使用+/-200 V的雙極型直流鏈。如今，其應用領域已擴展至低壓（電壓低于1 kV）下的直流分布式網絡，其中包括分布式發電，原因在于雙極型直流結構已經在效率方面證明了自身的優勢［5-6］。

眾所周知，由于采用脈沖寬度調制（PWM）技術，DC-DC轉換器可以增加或減少直流電壓的幅度，或者顛倒極性。開關DC-DC轉換器作為重要的電力電子器件，廣泛應用于各種領域［7-8］。多年來，已經有很多文獻從不同的方面（電壓增益、操作原理、電壓和電流應力以及效率）對降壓型、升壓型和標準開關單元、降壓升壓單電感轉換器、Cuk、SEPIC及Zeta轉換器等多個傳統的單電感DC-DC轉換器進行了研究［9］。文獻［10］也描述了這些基本轉換器的組合，如升壓降壓級聯型轉換器和降壓升壓級聯型轉換器（帶有兩個開關的拓撲結構）、降壓升壓Zeta轉換器、SEPIC升壓轉換器、Zeta反激式轉換器。

本文結合單端初級轉換器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk轉換器，提出了一種適用于低壓雙極型直流微電網的新型組合轉換器。其主要優勢在于，由于僅有一個開關，不需要強調開關的同步性。此外，控制終端連接到了地面，簡化了柵級驅動的設計。研發出了實驗樣機，并且對其在不同負載條件下的性能進行了驗證。實驗結果表明，提出的組合轉換器適用于雙極型直流網絡，并且具有3個方面優勢：結構簡單，因為僅使用了一個開關及少數有源元件；驅動器電路簡單，因為只有一個可控開關，并且不需要分離；并且控制電路簡單，因為僅使用一個控制器就可以對雙極直流電壓進行調節，可以有效降低實現成本。

1 典型的SEPIC和Cuk轉換器

傳統的SEPIC（見圖1）和Cuk轉換器（見圖2）由兩個電感器（L1和L2）、一個鏈電容器（C1）、一個開關（S1）及一個二極管（D）組成。Cuk是負輸出轉換器，而SEPIC是正輸出轉換器。SEPIC和Cuk轉換器的結合能夠生成兩個輸出，電壓相同，但極性不同。可以為低壓雙極型直流微電網上的兩個電極提供動力。因此，分別對每個拓撲結構的優勢及劣勢進行了分析。

圖1 SEPIC轉換器結構

圖2 Cuk轉換器結構

假設SEPIC和Cuk轉換器無損耗，且相較于各自的直流分量，開關波動幅度較小，輸入電壓與輸出電壓之間的關系可在連續導通模式和不連續導通模式下獲取。連續導通模式CCM（Continuous Conduction Mode）是指通過電感器的電流是連續的，而不連續導通模式DCM（Discontinuous Conduction Mode）是指通過電感器的電流是不連續的。由于效率高且轉換器開關及無源元件實用，連續導通模式是首選。兩種轉換器提供了相同的轉換關系式，如下所示：

占空比（D）是傳導時間（TON）與開關周期（TS）之比。兩種拓撲結構的特征非常相似：使用的元件數量相同，向電源開關提供的應力相同，并且效率相似。從解析的角度來看，Cuk和SEPIC的拓撲結構同樣也非常相似。然而，在SEPIC轉換器中，通過電容器C1的平均電壓（VC1）等于輸入電壓（Vg），而在Cuk轉換器中，電容器C1的電壓等于輸入電壓加上輸出電壓（Vg+Vo）。因此，SEPIC轉換器的電容器尺寸比Cuk轉換器要小。在兩種拓撲結構中，輸入電流為非脈沖。另一方面，在Cuk轉換器中輸出電流為非脈沖，而在SEPIC轉換器中輸出電流為脈沖。

2 提出的組合轉換器設計

在直流微電網中，能量可通過單根電纜、2根電纜甚至3根電纜進行傳輸，可考慮使用3種直流結構：單極型、雙極型和同級型。在所有的拓撲結構中，使用頻率最高的是雙極型直流模型。雙極型直流模型有2根電線（見圖3）：一根正極電線，一根負極電線。總共有2個電壓等級，所以故障狀態下可以單極運行。相較于單極型直流鏈，該拓撲結構的技術復雜性較高、成本較大，但是具有以下優勢：正常操作期間，通過回路的電流較小，所以功率損耗減少；當其中一條線路發生故障時，其它線路會繼續正常運行；在傳輸功率相同的條件下，雙極型直流結構的電流是單極型直流結構的一半；該拓撲結構允許存在2種不同的電壓等級。當某些負載消耗了大功率時，這些優勢較明顯，因為減少了電流消耗。

另一方面，某些可再生能源裝置會以直流電的方式發電，所以需要將DC-DC轉換器連接至合適的網絡條件。對于雙極型直流結構［6］，這些裝置會使用2個或4個可控開關，這取決于轉換器是半橋式還是全橋式。

圖3 雙極型直流結構

2.1 成本分析

通過比較SEPIC和Cuk的結構，可以看出兩者的前端完全相同。2種轉換器的電壓轉換比率相同，但極性相反。因此，提出了結合2種結構來實現一種雙極型轉換器，如圖4所示。從中可看出，結合的兩種結構會共享共同的接地基準開關，以及輸入端的等效電感器。由圖1～圖3可以看出，文獻［6，9］中的雙極型直流結構至少需要2個開關和多個有源器件，且對開關的同步性要求較高，需要高精度的PWM控制器來具體實現，因此實現成本較高。然而，提出的結構僅使用了1個可控開關和少數有源元件就實現了雙極型直流鏈，并且不需要強調各種開關的同步性，使用低端的PWM控制器就可以實現控制，如TL494。因此，實現成本得到降低。此外提出的組合轉換器電路相比文獻［6，9］，終端連接到了地面，簡化了柵級驅動的實現，電路結構得到簡化。

圖4 提出的雙極型組合轉換器結構

在靜態方式中，提出的雙極型組合轉換器電路結構如圖4所示。當開關S轉向ON時，發電機提供的能量就會儲存在L1中（其中，L1是輸入端兩個電感器2L1的等效電感）；由于C1和C2會放電，電感器L2和L3同樣也會儲存能量。在間隔期間內，續流二極管（D1和D2）位于OFF，并且向負載提供的能量是由帶有標記C的輸出電容器提供。當開關S轉向OFF時，電感器會通過續流二極管（D1和D2）再次向電容器C1和C2充電，并向負載提供電能。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗設置

提出的雙極型組合轉換器實驗樣機如圖5所示。其中包括一個提出的組合轉換器、一個低成本的PWM控制器以及一個柵級驅動器電路。只利用一個絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），就可以對不同負載條件下轉換器的電壓調節能力進行驗證。

圖5 提出的轉換器樣機

控制器方是由性價比高的PWM控制器TL494組建。將控制器配置為能夠生成30 kHz的開關頻率，并且帶有單端輸出、軟啟動控制以及過壓保護。TL494有兩個誤差放大器，內部誤差放大器用于限制電源開關的過電流，另一個誤差放大器用于調節SEPIC端的輸出電壓。Cuk端的輸出電壓未經調節；然而，根據前面分析可看出，Cuk端的絕對值與SEPIC端的相同。樣機用于從可再生能源生成+/-200V dc的雙極型輸出。使用一個電池組對可再生能源進行模仿，電池組由8個串聯的12 V電池組成，所以可以將96 V作為輸入電壓。

采用交叉調節技術［8］進行調節，在此技術中，控制器直接找到了其中一個輸出電壓，并且將其調節為預期值。由于Cuk端的輸出電流為非脈沖，而SEPIC端的輸出電流為脈沖，因此在研發的實驗樣機中，在SEPIC端（）完成調節動作，并且由于連接到了相同的開關接點，Cuk端（）會維持調節狀態。

使用簡易的PWM控制器有利于對兩種輸出進行調節。控制器生成的控制信號需要適應開關晶體管的參數。驅動器電路就是基于此目的而設計的。隔離柵雙極晶體管的柵電容相當大，必須對其進行充電并超過閾值電壓。柵級驅動器電路提供的輸出電流較高，可在要求的時間內對柵電容進行充電。

從圖4可知，可在器件應力、低輸入紋波以及磁性元件大小等方面對提出的轉換器的性能進行評估［10］。本文假定提出的轉換器在CCM模式下運行。表1總結了上文提及的性能。注意：SEPIC端需要通過電感器L2的電流較大，此外，Cuk端需要通過電容器C2的電壓較大。為了獲取較高的額定功率，電感器L1與開關可以并聯運行。

其中，

表1 提出的轉換器性能參數

3.2 測試結果與分析

在不同的負載條件下對實驗樣機進行了兩次測試。兩次測試中正輸出電流（通道C1：500 mA/div，1 A偏移）；雙極輸出（通道C2：100 V/div，-100 Voffset）.）；正輸出電壓（通道C3：100 V/div，-100 Voffset）.）；負輸出電壓（通道C4：100 V/div，-100 Voffset）.）。單極負載測試中一個負載連接至正輸出，其它負載連接至負輸出（兩個單極負載）。在某一點上，連接至正輸出的負載會將自身的電阻減少一半。雙極負載測試中一個負載實現連接正輸出與負輸（雙極負載）。此處，通過連接正輸出上的附加荷載修改設置。表2是實現提出的轉換器中使用的元件參數。

表2 用于提出轉換器的元件參數

DC-DC轉換器的轉換效率可表示為如下形式：

式中，P1、P2，…，Pn表示各部分損耗功率占輸入功率的百分比。DC-DC轉換器中的損耗主要分為2個方面：（1）傳導性損耗，由Pc=×RDSon計算得到，其中Iload表示負載電流，RDSon為MOSFET的導通電阻；（2）動態或者開關損耗，Pq=1/2×Iload×Vin×fs(tr+tf)，其中Vin為輸入電壓，tr和tf是上升和下降時間，fs是轉換器的開關頻率。其他損耗可以忽略不計［11］。

第1種情況將兩個平衡負載連接至轉換器輸出，其中在正輸出上的負載為0.65 A，另一個負載連接至負輸出。轉換器提供的功率為300 W，通過式（8）可得效率約為86.1%。在某一點上，連接至正輸出的負載會將自身的電阻減少一半。因此，輸出轉換器的負載就會失衡。正輸出上的平均電流為1 A，而負輸出上的平均電流為0.65 A。總功率為450 W，并且效率降至84.5%。

圖6（a）是連接至單極負載時的輸出電流響應及輸出電壓波形。電壓不會發生變化，會一直等于這個數值。圖6（b）是連接至正輸出的負載從0.65 A到1 A的轉變。可觀察出，負載環流引起零輸出。輸出電壓就是各自的運行值。

在第2種情況下，雙極負載處于正輸出與負輸出之間。負載的平均電流為0.35 A。對于此負載，轉換器的轉換功率為180 W，效率約為87.9%。將單極負載連接至正輸出之后，平均電流為0.65 A。因此，正輸出的電流變為1.1 A。在這種情況下，轉換功率為330 W，實測效率約為84.8%。從圖7（a）觀察出，當負載發生變化時，輸出電壓會保持不變。負輸出電壓表現為振動較小，數值可忽略不計。圖7（b）是雙極負載保持連接狀態，而單極負載卻斷開。

圖6 平衡和失衡負載連接的實驗結果

圖7 雙極負載和雙極負載及單極負載的實驗結果

由圖6和圖7可以看出，即使負載變動失衡，轉換器也能夠適應各種負載變動。兩個測試中的實測效率均保持在84%與87%之間。

4 結論

本文提出了一種新型低壓直流雙極型組合轉換器，適用于低壓直流微電網。該雙極型組合轉換器采用新的組合拓撲結構，包括SEPIC和Cuk轉換器。提出的組合結構會共享共同的接地基準開關和輸入端的等效電感器。在不同的負載條件下對其進行了驗證。實驗結果表明，提出的轉換器即使在失衡情況下也能完成電壓調節能力，有效降低了轉換器的實現成本。

［1］Takai N，Okada T，Takahashi K，et al.Single Inductor Bipolar Outputs DC-DC Converter with Current Mode Control Circuit［J］. Key Engineering Materials，2013，534：220-226.

［2］Takai N，Okada T，Takahashi K，et al.Single Inductor Bipolar Outputs DC-DC Converter with Current Mode Control Circuit［J］. Key Engineering Materials，2013，534：220-226.

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王 磊（1983-），男，漢族，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向為電子、通信、網絡，wangleihn1983@sina.com；

丁 燕（1983-），女，漢族，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向為電氣、自動化。

A New Low Cost Bipolar Combined Converter

WANG Lei*，DING Yan
（Department of Automation Engineering，Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng He’nan 475004，China）

In order to reduce the cost of the DC-DC converter，a new type of low voltage DC bipolar combined con?verter is presented.Compared to the conventional converter，the combined converter uses a new structure which combines the single ended Primary Inductance Converter（SEPIC）and the Cuk converter.The switch node is shared by SEPIC and Cuk converter.The main advantage of this topology is that it does not need to strictly control the syn?chronization of all kinds of switches，and the control terminal is connected to the ground，which simplifies the de?sign of the gate level drivers and reduces the cost of implementation.The performance of the proposed converter is verified by different load conditions.The experimental results show that the proposed converter is very suitable for DC micro grid，even if the imbalance can also be accomplished by the voltage regulation capability，the conversion efficiency is maintained between 87%and 84%.

combined converter；bipolar DC network；Cuk converter；single ended primary inductor converter

TM469

A

1005-9490（2016）06-1516-05

8620

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.045

2015-11-17 修改日期：2016-01-27