新型升-降壓DC-DC變換器的研究

房緒鵬，李昊舒，許玉林，徐 飛

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590)

新型升-降壓DC-DC變換器的研究

房緒鵬，李昊舒，許玉林，徐 飛

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590)

提出一種DC-DC變換器拓?fù)洌朔N變換器具有大范圍的升降壓功能，克服了傳統(tǒng)變換器只能升壓或者只能降壓的缺陷。研究了主拓?fù)湓谝粋€(gè)開關(guān)周期的工作模式，通過(guò)分析電路拓?fù)涞墓ぷ髟恚茖?dǎo)了電路的相關(guān)電壓關(guān)系。與Z源DC-DC變換器進(jìn)行比較，表明該拓?fù)渚哂懈偷碾娙蓦妷簯?yīng)力，同時(shí)提高電路的可靠性。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合，驗(yàn)證了此DC-DC變換器拓?fù)涞目尚行院蛯?shí)用性。

DC-DC變換器；大范圍升降壓；Z源變換器；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。開關(guān)電源因其體積小、重量輕、功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛使用。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源以經(jīng)典的Boost, Buck, Buck-Boost 3種電路為主，人們對(duì)開關(guān)電源的研究取得了顯著的成果，然而因電路拓?fù)浔旧泶嬖诠逃腥秉c(diǎn)阻礙了其發(fā)展。電磁干擾易導(dǎo)致開關(guān)誤動(dòng)作從而引起電路故障；功率開關(guān)管開關(guān)時(shí)間的存在會(huì)導(dǎo)致開關(guān)的共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷，進(jìn)而導(dǎo)致電源的短路或電感電流的中斷。輸入端電流不連續(xù)，輸入、輸出電流皆有脈動(dòng)，使得對(duì)輸入電源有電磁干擾且輸出紋波較大，從而增大了輸出電壓的畸變率，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響；開關(guān)晶體管發(fā)射極不接地，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜化。因此在一些要求高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的開關(guān)電源拓?fù)錈o(wú)法滿足應(yīng)用要求。

為了改善拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能，阻抗源型電路[1]得到了廣泛研究。由阻抗網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的阻抗源變換器[2]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般具有比較高的電壓增益，從而能有效減少整個(gè)系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。但是傳統(tǒng)的Z源DC-DC變換器也存在一些缺陷：電源電流在直通工作狀態(tài)時(shí)為零，因此其電源電流不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓在非直通模式下的不規(guī)則跌落；電容器C1和C2承受相同的電壓應(yīng)力，且均大于電源電壓V0，阻抗網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇受到限制。因此，傳統(tǒng)的Z源變換器有待改進(jìn)。

本文提出一種新型的DC-DC變換電路，分析其工作原理，討論電路的工作模式，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 電路拓?fù)渑c工作原理

該新型變換器主拓?fù)溆蓛蓚€(gè)電感L1、L2和兩個(gè)電容器C1、C2構(gòu)成，全控型開關(guān)[3]由IGBT或電力MOSFET與一個(gè)二極管反并聯(lián)組合組成。兩個(gè)開關(guān)管S1和S2以互補(bǔ)的方式交替導(dǎo)通，通過(guò)PWM控制[4-6]信號(hào)改變開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通占空比，控制輸出電壓。兩個(gè)電感在不同時(shí)段的充放電實(shí)現(xiàn)了電路的升-降壓功能。電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 新型DC-DC變換器電路拓?fù)?/p>

1.1 工作原理

與(準(zhǔn))Z源DC-DC變換器[2]96一樣，該新型變換器也分為2種工作狀態(tài)，通過(guò)控制開關(guān)占空比[7]實(shí)現(xiàn)升降壓功能，其等效電路如圖2所示。

圖2 電路的2個(gè)工作狀態(tài)

假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期T中，開關(guān)管S2處于導(dǎo)通狀態(tài)，即狀態(tài)1的時(shí)間為T0，從等效電路圖2(a)可得如下公式：

vL1=-VC1

(1)

vL2=-VC2-Vin

(2)

V0=vL3

(3)

假設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)，電路處于狀態(tài)2的時(shí)間為T1，從等效電路圖2(b)可得如下公式：

vL1=Vin

(4)

vL2=VC1-VC2

(5)

V0=vL1+VC1+vL3

(6)

(7)

(8)

由公式(7)、(8)得：

(9)

(10)

由公式(3)、(6)得：

(11)

與前面所述傳統(tǒng)阻抗源DC-DC變換器相比，該新型變換器容易得到更大的升壓因子，提高能源的轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)阻抗源變換器與該新型變換器的升壓因子B與直通占空比D的關(guān)系如圖3所示。圖中，B1為新型拓?fù)涞纳龎阂蜃樱籅2為傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纳龎阂蜃印?/p>

圖3 兩種拓?fù)溟_關(guān)占空比和升壓因子的關(guān)系

1.2 周期工作過(guò)程

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，電路開始周期性的工作。電壓及電流的參考方向分別如圖2和圖3所示。假設(shè)電感足夠大，在此只討論電流連續(xù)模式的工作過(guò)程(電感L1電流不反向)[8]。

連續(xù)模式下，按照電路的導(dǎo)通情況和電感L2的電流變化情況共分為4種工作模態(tài)，工作狀態(tài)1時(shí)，電感L2電流換向?qū)?yīng)2種工作模態(tài)；工作狀態(tài)2時(shí)，電感L2電流換向?qū)?yīng)另外2種工作模態(tài)，等效電路圖如圖4所示。

圖4 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作模態(tài)

(1) 工作模態(tài)1：開關(guān)管S2導(dǎo)通，電感L1和電感L2承受反向電壓，流過(guò)電感L1的電流減小，電感L1釋放能量，同時(shí)對(duì)電容器C1充電；流過(guò)電感L2的電流反向減小至零，電感L2釋放能量，同時(shí)對(duì)電容器C2充電，濾波電感L3向負(fù)載傳遞能量。

(2)工作模態(tài)2：開關(guān)管S2導(dǎo)通，電感L1和電感L2承受反向電壓，流過(guò)電感L1的電流繼續(xù)減小并且始終大于零，流過(guò)電感L2的電流正向增大到最大值；在此工作模態(tài)，直流電源、電感L1和電容器C2釋放能量，對(duì)電感L2和電容器C1充電。

(3)工作模態(tài)3：開關(guān)管S1導(dǎo)通，電感L1和電感L2承受正向電壓，流過(guò)電感L1的電流增大，流過(guò)電感L2的電流減小至零；在此工作模態(tài)，直流電源，電感L2和電容器C2釋放能量，對(duì)電感L1和電容器C1充電。

(4)工作模態(tài)4：開關(guān)管S1導(dǎo)通，電感L1和電感L2承受正向電壓，流過(guò)電感L1的電流繼續(xù)增大到最大值，儲(chǔ)能結(jié)束；流過(guò)電感L2的電流反向增大到最大值，儲(chǔ)能結(jié)束；電容器C1放電，對(duì)電容器C2和電感L2充電。

新型拓?fù)潆姼袃啥穗妷汉碗娏鞯牟ㄐ稳鐖D5所示，驗(yàn)證了前述工作周期分析的正確性。

圖5 電感兩端電壓和電感電流波形

2 參數(shù)設(shè)計(jì)和電路仿真

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)的選擇在文獻(xiàn)[9-11]中已有說(shuō)明，在此不再詳細(xì)介紹。結(jié)合文獻(xiàn)及電路工作原理， 主電路參數(shù)如下：輸入直流電壓Vin=100 V；主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)：L1=L2=500 μH；C1=C2=330 μF；變換器的輸出濾波器參數(shù)L3=1.5 mH，C3=22 μF；開關(guān)頻率fs=20 kHz。

2.2 仿真驗(yàn)證

用 MATLAB/SIMULINK 軟件對(duì)該變換器進(jìn)行仿真，分別在D=0.2，D=0.6時(shí)，進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬范圍升降壓功能，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 實(shí)驗(yàn)電路連接圖

圖8 一個(gè)開關(guān)周期的電感電壓波形

圖9 一個(gè)開關(guān)周期的的電容電壓波形

在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，選取合適的元件參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)電路，控制信號(hào)部分通過(guò)TMS320F2812輸出兩路互補(bǔ)的PWM，全控開關(guān)選用了SGH80N60UFD Ultrafast IGBT，驅(qū)動(dòng)電路由KA962F驅(qū)動(dòng)芯片和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用12 V的開關(guān)電源作為輸入信號(hào)，利用數(shù)字示波器分別記錄了D=0.3和D=0.6時(shí)的暫態(tài)波形與輸出波形，分別如圖7至圖10所示。

圖10 輸出電壓波形

4 結(jié)論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得一個(gè)開關(guān)周期的電感電壓波形，2個(gè)電感的充放電過(guò)程與理論分析一致。

(2)為了保證分析結(jié)果的全面性，分別測(cè)得D=0.3和D=0.6時(shí)的電容電壓波形，經(jīng)過(guò)總結(jié)，占空比較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值幾乎與理論值一致；由于實(shí)驗(yàn)輸入信號(hào)較小，隨著占空比的增大，電容電壓實(shí)驗(yàn)值與理論值會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，誤差也在允許范圍內(nèi)；由于在實(shí)際應(yīng)用中，輸入信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12 V，可認(rèn)為對(duì)電容的理論分析是合理的。

(3)分別測(cè)得了升壓波形和降壓波形，其輸出電壓實(shí)驗(yàn)值與理論值有很小的偏差，誤差小于5%；誤差原因主要由于輸入信號(hào)較小，開關(guān)器件的壓降對(duì)輸出波形的影響。

(4)通過(guò)仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，驗(yàn)證了該新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，該新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓范圍更廣，通過(guò)控制開關(guān)導(dǎo)通占空比，可以靈活地實(shí)現(xiàn)升降壓功能；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需器件數(shù)量少，從而減小了器件選擇和排查的工作量；體積小，重量輕，成本低，便于實(shí)現(xiàn)小型化。

(5)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在某些方面也存在不足：電容器C1的電壓應(yīng)力隨著輸出電壓的增大而增大；當(dāng)需要更大的電壓增益時(shí)，該電路需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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The Study of a Novel Buck-boost DC-DC Converter

FANG Xupeng， LI Haoshu， XU Yulin， XU Fei

(College of the Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

This paper presents a novel DC-DC converter topology, which has a high voltage ratio and can overcome the defects that the traditional converter can only be boosted or reduced. By studying the working modes of the main topology in a switching cycle, its operating principle is analyzed and its corresponding voltage relations are deduced. Compared with the DC-DC source Z converter, the new topology has a lower capacitance voltage stress, and the reliability of the circuit is improved. By testing the related performances of the circuit, the theoretical analysis and experimental results are in complete agreement with each other，and the feasibility and advantages of the new DC-DC converter topology are verified by the simulation and experimental results.

DC-DC converter；a high voltage ratio； Z source converter；experimental results

2016-07-30。

山東省自然科學(xué)基金(ZR2009FM017)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(20090461254)。

房緒鵬(1971-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)樽杩乖醋兞髌骷捌鋺?yīng)用，現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)和新興能源利用方面的研究等，E-mail:xpfang69@163.com。

TM464

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.008