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 電氣與自動化工程學院，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 電氣與自動化工程學院，山東青島266590)

提出一種DC-DC變換器拓撲，此種變換器具有大范圍的升降壓功能，克服了傳統變換器只能升壓或者只能降壓的缺陷。研究了主拓撲在一個開關周期的工作模式，通過分析電路拓撲的工作原理，推導了電路的相關電壓關系。與Z源DC-DC變換器進行比較，表明該拓撲具有更低的電容電壓應力，同時提高電路的可靠性。通過計算機仿真和樣機實驗對拓撲進行相關性能測試，理論分析與實驗結果完全符合，驗證了此DC-DC變換器拓撲的可行性和實用性。

DC-DC變換器；大范圍升降壓；Z源變換器；樣機實驗

0 引言

隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源。開關電源因其體積小、重量輕、功耗小、效率高、穩壓范圍寬等優點，在各個領域獲得了廣泛使用。

傳統的開關電源以經典的Boost, Buck, Buck-Boost 3種電路為主，人們對開關電源的研究取得了顯著的成果，然而因電路拓撲本身存在固有缺點阻礙了其發展。電磁干擾易導致開關誤動作從而引起電路故障；功率開關管開關時間的存在會導致開關的共態導通或共態關斷，進而導致電源的短路或電感電流的中斷。輸入端電流不連續，輸入、輸出電流皆有脈動，使得對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，對負載產生不良影響；開關晶體管發射極不接地，驅動電路復雜化。因此在一些要求高的場合，傳統的開關電源拓撲無法滿足應用要求。

為了改善拓撲結構，提高系統的性能，阻抗源型電路[1]得到了廣泛研究。由阻抗網絡構造的阻抗源變換器[2]結構簡單，一般具有比較高的電壓增益，從而能有效減少整個系統的功率轉換級數，提高整個系統的性能。但是傳統的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時為零，因此其電源電流不連續，會導致輸出電壓在非直通模式下的不規則跌落；電容器C1和C2承受相同的電壓應力，且均大于電源電壓V0，阻抗網絡參數選擇受到限制。因此，傳統的Z源變換器有待改進。

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，最后通過仿真和實驗驗證理論分析的正確性。

1 電路拓撲與工作原理

該新型變換器主拓撲由兩個電感L1、L2和兩個電容器C1、C2構成，全控型開關[3]由IGBT或電力MOSFET與一個二極管反并聯組合組成。兩個開關管S1和S2以互補的方式交替導通，通過PWM控制[4-6]信號改變開關管S1、S2導通占空比，控制輸出電壓。兩個電感在不同時段的充放電實現了電路的升-降壓功能。電路拓撲如圖1所示。

圖1 新型DC-DC變換器電路拓撲

1.1 工作原理

與(準)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，通過控制開關占空比[7]實現升降壓功能，其等效電路如圖2所示。

圖2 電路的2個工作狀態

假設在一個開關周期T中，開關管S2處于導通狀態，即狀態1的時間為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)

假設在一個周期內，電路處于狀態2的時間為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，提高能源的轉換效率。傳統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的關系如圖3所示。圖中，B1為新型拓撲的升壓因子；B2為傳統Z源網絡拓撲的升壓因子。

圖3 兩種拓撲開關占空比和升壓因子的關系

1.2 周期工作過程

系統進入穩定狀態后，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。假設電感足夠大，在此只討論電流連續模式的工作過程(電感L1電流不反向)[8]。

連續模式下，按照電路的導通情況和電感L2的電流變化情況共分為4種工作模態，工作狀態1時，電感L2電流換向對應2種工作模態；工作狀態2時，電感L2電流換向對應另外2種工作模態，等效電路圖如圖4所示。

圖4 一個開關周期內的工作模態

(1) 工作模態1：開關管S2導通，電感L1和電感L2承受反向電壓，流過電感L1的電流減小，電感L1釋放能量，同時對電容器C1充電；流過電感L2的電流反向減小至零，電感L2釋放能量，同時對電容器C2充電，濾波電感L3向負載傳遞能量。

(2)工作模態2：開關管S2導通，電感L1和電感L2承受反向電壓，流過電感L1的電流繼續減小并且始終大于零，流過電感L2的電流正向增大到最大值；在此工作模態，直流電源、電感L1和電容器C2釋放能量，對電感L2和電容器C1充電。

(3)工作模態3：開關管S1導通，電感L1和電感L2承受正向電壓，流過電感L1的電流增大，流過電感L2的電流減小至零；在此工作模態，直流電源，電感L2和電容器C2釋放能量，對電感L1和電容器C1充電。

(4)工作模態4：開關管S1導通，電感L1和電感L2承受正向電壓，流過電感L1的電流繼續增大到最大值，儲能結束；流過電感L2的電流反向增大到最大值，儲能結束；電容器C1放電，對電容器C2和電感L2充電。

新型拓撲電感兩端電壓和電流的波形如圖5所示，驗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 參數設計和電路仿真

2.1 參數設計

參數的選擇在文獻[9-11]中已有說明，在此不再詳細介紹。結合文獻及電路工作原理， 主電路參數如下：輸入直流電壓Vin=100 V；主拓撲結構參數：L1=L2=500 μH；C1=C2=330 μF；變換器的輸出濾波器參數L3=1.5 mH，C3=22 μF；開關頻率fs=20 kHz。

2.2 仿真驗證

用 MATLAB/SIMULINK 軟件對該變換器進行仿真，分別在D=0.2，D=0.6時，進行了仿真，通過仿真結果驗證了該拓撲結構的寬范圍升降壓功能，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同占空比對應的輸出電壓波形

3 實驗結果

圖7 實驗電路連接圖

圖8 一個開關周期的電感電壓波形

圖9 一個開關周期的的電容電壓波形

在仿真驗證的基礎上，選取合適的元件參數搭建了實驗電路，控制信號部分通過TMS320F2812輸出兩路互補的PWM，全控開關選用了SGH80N60UFD Ultrafast IGBT，驅動電路由KA962F驅動芯片和過流過壓保護電路組成。實驗時，用12 V的開關電源作為輸入信號，利用數字示波器分別記錄了D=0.3和D=0.6時的暫態波形與輸出波形，分別如圖7至圖10所示。

圖10 輸出電壓波形

4 結論

(1)通過實驗測得一個開關周期的電感電壓波形，2個電感的充放電過程與理論分析一致。

(2)為了保證分析結果的全面性，分別測得D=0.3和D=0.6時的電容電壓波形，經過總結，占空比較小時，實驗數值幾乎與理論值一致；由于實驗輸入信號較小，隨著占空比的增大，電容電壓實驗值與理論值會出現一定的偏差，誤差也在允許范圍內；由于在實際應用中，輸入信號遠遠大于12 V，可認為對電容的理論分析是合理的。

(3)分別測得了升壓波形和降壓波形，其輸出電壓實驗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較小，開關器件的壓降對輸出波形的影響。

(4)通過仿真結果與理論推導一致，驗證了該新型拓撲結構的合理性。與其他拓撲結構相比，該新型拓撲結構升壓范圍更廣，通過控制開關導通占空比，可以靈活地實現升降壓功能；拓撲結構簡單，所需器件數量少，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，便于實現小型化。

(5)該拓撲結構在某些方面也存在不足：電容器C1的電壓應力隨著輸出電壓的增大而增大；當需要更大的電壓增益時，該電路需要進一步改進。

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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。

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

房緒鵬(1971-)，男，副教授，主要研究方向為阻抗源變流器及其應用，現代電力電子技術在電力系統、電氣傳動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