固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的研究

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(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的研究

李娟，蔡慧

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，杭州310018)

根據(jù)先前對(duì)開關(guān)電容變換器的研究，設(shè)計(jì)出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器；該開關(guān)電容變換器結(jié)合了最近幾年研究的單橋臂開關(guān)電容變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有直流開關(guān)電容變換器、單橋臂開關(guān)電容變換器的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并且能夠工作在直流和交流兩種電流模式下，具有體積小、所需元器件種類少、效率高和功率密度大等優(yōu)點(diǎn)；運(yùn)用兩路互補(bǔ)的PWM波對(duì)雙橋臂開關(guān)電容變換器中的功率開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，文中分析了變比固定變比為1/3的雙橋臂的驅(qū)動(dòng)過程、工作過程，通過仿真對(duì)其高頻工作過程以及電容的換向過程進(jìn)行了研究；給出了固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的電路設(shè)計(jì)方案及控制電路方法和方案；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和正確性。

開關(guān)電容變換器；雙橋臂；PWM控制；低頻分析；高頻分析

0 引言

開關(guān)電容變換器具有體積小、所需元器件種類少、效率高且功率密度大[1]等優(yōu)點(diǎn)，并且可以空載運(yùn)行而不需要虛負(fù)載，而且在完全空載時(shí)的電壓變比僅由電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定[2]。基于以上優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)電容變換器在小功率場(chǎng)合得到了一定的應(yīng)用[3]，比如在汽車工業(yè)[4-5]以及電池工業(yè)[6-7]中。開關(guān)電容直-直變換技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9]以及控制方法[10-11]層出不窮。但主要集中在直流領(lǐng)域和單橋臂領(lǐng)域，對(duì)交流領(lǐng)域和雙橋臂領(lǐng)域的開關(guān)電容變換器的研究甚少。

本文在先前對(duì)單橋臂開關(guān)電容變換器研究的基礎(chǔ)上提出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器，其等效電路可由一個(gè)變比為1/3的理想變壓器和等效內(nèi)阻為Req的串聯(lián)結(jié)構(gòu)表示，如圖1所示[12]。這種變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器可以工作在交流和直流兩種工作模式，在早期的研究中表明，其開關(guān)電容的穩(wěn)態(tài)性能與開關(guān)電容變換器的工作時(shí)的工作特征息息相關(guān)。因此文中主要研究其在交流模式下的工作特征。

圖1 固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器等效電路

1 固定變比為1/3的變換器

1.1 固定變比為1/3的雙變換器電路

如圖2所示為變比為1/2的雙橋臂開關(guān)電容變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入端為c-d，輸出端為e-f，輸入輸出電壓變比為1/2。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12為功率開關(guān)管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10為吸收和傳遞能量的電容，功率開關(guān)管通過STM32給出兩路互補(bǔ)的PWM波，對(duì)其PWM波形進(jìn)行放大到18 V對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中S1、S3、S5、S7、S9、S11為一組PWM波，S2、S4、S6、S8、S10、S11、S12為另一組PWM波，其PWM驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示。

1.2 工作過程

在驅(qū)動(dòng)電路提供PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的情況下，固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器有兩種工作階段，以輸入電壓的正半周期說明如下：

圖2 固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器

圖3 功率開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)波形

在一個(gè)開關(guān)周期中，固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器可分為DT和(1-D)T兩個(gè)工作階段，如圖4所示。

圖4 固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器高頻工作過程

第一階段DT：功率開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9和S11導(dǎo)通；功率開關(guān)S2、S4、S6、S8、S10和S12關(guān)斷；

在第一階段中，電容C7和C10充電，C8和C9放電。首先，電容C1、C3和C5放電，電容C2、C4和C6充電，如圖9中的t1A。接著，電容C1、C3和C5開始充電，電容C2、C4和C6開始放電直到整個(gè)階段結(jié)束,如圖4中的t1B。在這整個(gè)階段中，電容C7和C10充電，電容C8和C9放電。電源ui將能量傳遞給電路。這一階段結(jié)束時(shí)，功率開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9和S11關(guān)斷；功率開關(guān)S2、S4、S6、S8、S10和S12導(dǎo)通。

第二階段(1-D)T：功率開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9和S11關(guān)斷；功率開關(guān)S2、S4、S6、S8、S10和S12導(dǎo)通；

在第二階段中，電容C7和C10放電，電容C8和C9充電。首先，電源接受來自電路的能量，電容C1、C3和C5放電，電容C2、C4和C6充電，如圖4中的t2A。接著，電源傳遞能量給電路，電容C1、C3和C5開始充電，電容C2、C4和C6開始放電直到這一狀態(tài)結(jié)束。這個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)，功率開關(guān)S2、S4、S6、S8、S10和S12關(guān)斷；功率開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9和S11導(dǎo)通，如圖4中的t2B。

第二階段結(jié)束后，新的開關(guān)周期從第一階段開始。

在輸入電壓的負(fù)半周期，固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器有著與圖4中相似的工作狀態(tài)，區(qū)別只是電流的方向與正半周期的電流流向相反。

1.3 理論分析

如圖2所示，輸入端為a-b端、輸出端為e-f端，輸出輸入變比為1/3；輸入輸出(vi和v0)的理論波形如圖4(a)所示，Vpk是輸入電壓的峰值。當(dāng)變比為1/3時(shí)，電壓增益為：

(1)

電容電壓的平衡是確保開關(guān)電容變換器工作的基本條件。電容C1、C2、C3、C4、C5、C6兩端的電壓是交流成分，為輸入電壓vi(高壓側(cè))的1/4。在所提出的開關(guān)電容變換器的結(jié)構(gòu)下，電容C7、C8和電容C9、C10也有這樣的交流成分。當(dāng)輸入電壓加在兩側(cè)橋臂上時(shí)，兩側(cè)的二極管各有一個(gè)導(dǎo)通從而形成回路。這些瞬態(tài)電壓致使對(duì)所有的電容引入了一個(gè)Vpk/4的直流電壓，從而避免了負(fù)電壓。因此，電容兩端電壓的成分是由一個(gè)峰值為Vpk/4的交流成分和Vpk/4的直流成分組成[11]。所以通過每個(gè)電容兩端的電壓峰值最大為Vpk/2，如圖4的c和d所示。由電路工作過程的回路分析可知功率開關(guān)承受的最大電壓的峰值是3Vpk/4，如圖5的(b)所示。

圖5 固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的理論電壓

本文所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器工作于交流電壓變換時(shí)，變換器的工作原理與直-直變換有類似的工作狀態(tài)和電壓電流波形。他們的不同在于當(dāng)輸入電壓負(fù)半周時(shí)，變換器電路各元件的電流方向與輸入電壓正半周以及直-直變換時(shí)相反。交-交變換時(shí)不同的電源頻率一定程度上會(huì)使變換器具有不同工作過程，本文僅討論電源頻率為50 Hz的情況。

2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論分析的正確性，對(duì)所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。

圖6 固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器(變比為1/3)的仿真結(jié)果

如圖6(a)所示為固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器在多個(gè)電源周期的輸入輸出電壓的仿真波形，輸入設(shè)置是幅值為60 V的交流電壓，其仿真輸出為幅值20 V的交流電壓，輸出輸入電壓變比為1/3。圖6(b)為固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器多個(gè)電源周期的功率開關(guān)管S1兩端的電壓，最大的耐壓值為30，即Vpk/3；圖6(c)為左橋臂電容電壓，各電容兩端電壓的成分是由一個(gè)峰值為10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值為輸入電壓的1/3；圖6(d)為右橋臂電容在多個(gè)電源周期的電壓，各電容兩端電壓的成分也是由一個(gè)峰值為10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值也為輸入電壓的1/3。對(duì)比理論分析中的圖5與圖6的仿真結(jié)果可知，理論與仿真結(jié)果一致。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性以及理論分析的正確性，搭建了一個(gè)60 V/20 V的雙橋臂開關(guān)電容變換器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器的MOSFET開關(guān)采用IRFP460，以滿足承受電壓和電流的要求。電容C1，C2和C3選擇10(F的CBB電容，其電容量以及損耗隨溫度、頻率變化小。負(fù)載選擇100(功率電阻。開關(guān)頻率選擇為50 kHz。

圖7 實(shí)驗(yàn)電壓(縱軸每格20 V)

圖7為固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器工作的實(shí)驗(yàn)波形，從實(shí)驗(yàn)波形與理論波形的對(duì)比我們可以得出理論與實(shí)驗(yàn)基本一致，降壓效果比較好。以60 V交流輸入電壓為例，負(fù)載為 100(，由Agilent 34401A測(cè)得輸出電壓有效值19.8 V，電壓變比為0.33，與理論變比非常接近。該固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器除了可以工作在交流的條件下也還可以實(shí)現(xiàn)直流(正電壓和負(fù)電壓均可)輸入輸出。

4 結(jié)論

本文在分析和研究了先前的各種單橋臂開關(guān)電容變換器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關(guān)電容變換器，通過研究發(fā)現(xiàn)，該變換器既可用于交-交變換，又可用于直-直變換，在此基礎(chǔ)上研究了電路的兩種工作狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)方式和換向過程，通過仿真對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并搭建了一個(gè)60 V/30 V的雙橋臂開關(guān)電容變換器對(duì)電路的準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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FixedVariableThanfor1/3oftheDoubleBridgeArmSwitchCapacitanceTransducer

Li Juan，Cai Hui

(China university of Jiliang 310018, China)

according to the previous study of switched capacitor converter, designed a fixed variable than for 1/3 the double bridge arm switch capacitance transducer.The switch capacitance transducer is a combination of research in recent years, the structural characteristics of single bridge arm switch capacitance transducer, dc switch capacitance transducer, the characteristics and advantages of single bridge arm switch capacitance transducer, and the ability to work in dc and ac two current mode, has small volume, less species required components, and the advantages of high efficiency and power density.Two complementary PWM wave is used to build the power switch tube in the arm switch capacitance transducer drive, relatively simple circuit structure, this paper analyzes the change than fixed than for a third of the double bridge arm driving process, work process, through the simulation of the working process of the high frequency and the capacitance of the reversing process were studied.Fixed variable than is given to a third of the double bridge arm switch circuit design scheme of capacitive transducer and control circuit method and scheme.Finally through the experiment proves the correctness and the feasibility of the circuit topology.

switch capacitance transducer; double bridge arm; PWM control. Analysis of low frequency;Analysis ofhigh frequency

2017-05-09；

2017-07-21。

李 娟(1992-)，安徽六安人，碩士研究生，主要從事開關(guān)電容變換器方向的研究。

1671-4598(2017)09-0282-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.072

TM74

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