降壓型雙橋臂交流開關(guān)電容變換器研究

李 娟，蔡 慧

(中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

開關(guān)電容變換器由電容和功率開關(guān)組成，其通過控制功率開關(guān)的導通與關(guān)斷來控制電容的充放電時間，從而實現(xiàn)電能從輸入傳遞到輸出。電容作為一種儲能元件，具有體積小、效率高和功率密度大等優(yōu)點[1-2]。近年來，開關(guān)電容變換器不斷發(fā)展[3]。早期研究主要集中在直流領(lǐng)域、小功率場合[4-5],如汽車工業(yè)、電池工業(yè)以及直流電機等。隨著開關(guān)電容變換器研究的深入，人們越來越重視交流開關(guān)電容變換器的研究[6-9]。研究主要集中在單橋臂開關(guān)電容變換器，而對雙橋臂開關(guān)電容變換器的研究甚少。

1 降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器

本文所提出的交交變換(AC-AC)開關(guān)電容變換器包含左右2個橋臂，左右對稱、結(jié)構(gòu)相同，保證了電路的穩(wěn)定性；同時，直流分量的引入能夠確保各電容在正壓環(huán)境下工作。本文提出的1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器，可以實現(xiàn)1/2、1/3和2/3這3種變比。

開關(guān)電容變換器由變比為n的變壓器和等效內(nèi)阻為Req的電阻串聯(lián)而成。等效電路如圖1所示。電壓變比由電路拓撲結(jié)構(gòu)決定。研究表明，穩(wěn)態(tài)性能主要由等效內(nèi)阻決定。因此，對1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器高頻工作過程的研究具有重要意義。

圖1 等效電路

目前，對雙橋臂開關(guān)電容變換器的研究主要如下。文獻[10]對1-2型雙橋臂開關(guān)電容變換器進行了研究，但其僅給出了高頻理論分析，并未給出仿真或試驗驗證，也未探討各個電容之間的變化規(guī)律；而電容的充放電規(guī)律，對后續(xù)的整個電路性能的研究具有重要意義[11]。文獻[12]也提到了1-2型雙橋臂開關(guān)電容變換器，但主要研究的是單橋臂和雙橋臂串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，并沒有對雙橋臂開關(guān)電容變換器進行實質(zhì)研究。本文對1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器的電容、功率開關(guān)管、電路拓撲結(jié)構(gòu)和電壓增益等進行了研究。

功率開關(guān)的門極驅(qū)動信號為脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)波。該波形是兩組互補的矩形波，如圖2所示。

圖2 PWM波形

圖2中：S為功率開關(guān)。當S1、S5、S7、S9、S11處于高電平導通時,S2、S4、S6、S8、S10處于低電平關(guān)斷；同理，當S1、S5、S7、S9、S11處于低電平關(guān)斷時,S2、S4、S6、S8、S10處于高電平導通。

2 理論分析

本節(jié)對所提出的1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器進行了理論分析。首先，給出低頻分析(即輸入/輸出在電源周期的變化過程分析)，包括功率開關(guān)承受的電壓波形、電容兩端電壓波形和輸入/輸出電壓波形；然后，給出高頻分析(即輸入/輸出在開關(guān)周期的工作過程分析)，包括各電容的電壓波形和電流波形；最后，給出各電容之間的關(guān)系和換向規(guī)律。

2.1 低頻分析

低頻分析主要是為了得到1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器的特征，如工作原理、電壓增益、開關(guān)管的電壓應(yīng)力以及電容在電源周期的工作波形。在1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器中，電容C7、C8確保電容C1、C2、C3之間的平衡，電容C9、C10確保電容C4、C5、C6之間的平衡。

①變比為1/2時的開關(guān)電容變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電路拓撲結(jié)構(gòu)圖(變比為1/2)

當變比為1/2時，電壓增益為：

(1)

當變比為1/2時，開關(guān)電容變換器理論電壓如圖4所示。圖4中：Upk為輸入電壓的峰值。

當輸入端為c-d端、輸出端為e-f端，輸出/輸入變比為1/2；輸入/輸出(Ui和Uo)的理論波形如圖4(a)所示。

刷式汽封名義上屬于柔齒汽封，究其實際，應(yīng)視為硬齒與柔齒相結(jié)合的汽封。安裝時通常將其硬齒按照標準間隙調(diào)整，柔齒間隙在此基礎(chǔ)上可較大幅度減小。因為柔齒與轉(zhuǎn)子間隙為彈性配合，具有較好的自適應(yīng)能力。刷式密封是一種允許摩擦，理論上可做到“零”間隙的密封。為了避免對軸產(chǎn)生損害，與刷式密封相配合的軸頸處需要一層耐高溫、耐磨蝕的涂層。但國內(nèi)使用時，似乎都沒能做這樣的處理。因此在確保刷毛不脫落的情況下應(yīng)當盡量選用較細的刷毛，以避免或減輕對主軸的損傷。

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3Upk/4，如圖4(b)所示。

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Ui(高壓側(cè))的1/4。在開關(guān)電容變換器結(jié)構(gòu)下，電容C7、C8和電容C9、C10也有這樣的交流成分。當輸入電壓加在兩側(cè)橋臂上時，兩側(cè)的二極管各有一個導通，從而形成回路。這些瞬態(tài)電壓引入了Upk/4的直流電壓，從而避免了負電壓。因此，電容兩端電壓的成分由峰值為Upk/4的交流成分和Upk/4的直流成分組成[11]，所以通過每個電容兩端的最大電壓峰值為Upk/2，如圖4(c)和圖4(d)所示。

圖4 理論電壓曲線(變比為1/2)

②變比為1/3時的開關(guān)電容變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電路拓撲結(jié)構(gòu)圖(變比為1/3)

當變比為1/3時，電壓增益為：

(2)

當變比為1/3時，開關(guān)電容變換器理論電壓如圖6所示。

圖6 理論電壓曲線(變比為1/3)

③變比為2/3時的開關(guān)電容變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電路拓撲結(jié)構(gòu)圖(變比為2/3)

當變比為2/3時，電壓增益為：

(3)

當變比為2/3時，開關(guān)電容變換器理論電壓如圖8所示。

圖8 理論電壓曲線(變比為2/3)

2.2 高頻分析

在驅(qū)動電路提供PWM信號進行驅(qū)動的情況下，1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器分為兩種工作階段。以輸入電壓的正半周期為例，說明如下。

①第一階段DT。

第一階段DT：功率開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9和S11導通；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。接著，電容C1、C3和C5開始充電，電容C2、C4和C6開始放電，直到整個階段結(jié)束。在這整個階段中，電容C7和C10充電，電容C8和C9放電。這一階段結(jié)束時,S1、S3、S5、S7、S9和S11關(guān)斷； S2、S4、S6、S8、S10和S12導通。

②第二階段(1-D)T。

第二階段(1-D)T： S1、S3、S5、S7、S9和S11關(guān)斷； S2、S4、S6、S8、S10和S12導通。

在第二階段中，電容C7和C10放電，電容C8和C9充電。首先，電源接收來自電路的能量，電容C1、C3和C5放電，電容C2、C4和C6充電。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。這個狀態(tài)結(jié)束時,S2、S4、S6、S8、S10和S12關(guān)斷； S1、S3、S5、S7、S9和S11導通。

第二階段結(jié)束后，新的開關(guān)周期從第一階段開始。

在輸入電壓的負半周期，1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器有著相似的工作狀態(tài)，只是電流的方向相反。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 低頻仿真分析

①開關(guān)電容變換器仿真結(jié)果(變比為1/2)。

當變比為1/2時，開關(guān)電容變換器仿真結(jié)果如圖9所示。圖9(a)為1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器(變比為1/2)在多個電源周期的輸入/輸出電壓的仿真波形。輸入是幅值為60 V的交流電壓，其仿真輸出為幅值30 V的交流電壓，輸出/輸入電壓變比為1/2。圖9(b)為多個電源周期功率開關(guān)管S1兩端的電壓，最大的耐壓值為45 V，即3Upk/4。圖9(c)為左橋臂各電容電壓，各電容兩端電壓的成分是由一個峰值為15 V(即Upk/4)的交流成分和15 V(即Upk/4)的直流成分組成的交流電壓。圖9(d)為右橋臂電容在多個電源周期的電壓，電容兩端電壓的成分也是由一個峰值為15 V(即Upk/4)的交流成分和15 V(即Upk/4)的直流成分組成的交流電壓，最大峰值為輸入電壓的1/2。對比圖4與圖9可知，理論與仿真結(jié)果一致。

圖9 仿真結(jié)果圖(變比為1/2)

②開關(guān)電容變換器仿真結(jié)果(變比為1/3)。

當變比為1/3時，輸入是幅值為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。功率開關(guān)管兩端的最大耐壓值為30 V，即Upk/3。在多個電源周期中：左橋臂電容兩端電壓是由一個峰值為10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值為輸入電壓的1/3；右橋臂電容兩端電壓的成分也由一個峰值為10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/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。理論與仿真結(jié)果一致。

③開關(guān)電容變換器仿真結(jié)果(變比為2/3)。

當變比為2/3時，輸入是幅值為60 V的交流電壓，其仿真輸出為幅值40 V的交流電壓，輸出/輸入電壓變比為2/3。在多個電源周期中：功率開關(guān)管兩端電壓最大的耐壓值為30 V，即Upk/3；左橋臂電容電壓是由一個峰值為10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值為輸入電壓的1/3；右橋臂電容電壓也是由一個峰值為10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/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，即Upk/3。理論與仿真結(jié)果一致。

3.2 高頻仿真分析

1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換在工作時可分為2個獨立的1-2降壓雙橋臂開關(guān)電容變換[11]。這2個獨立的子電路高頻變換過程和換向規(guī)律與1-2降壓型雙橋臂開關(guān)變換器相同。開關(guān)電容變換器高頻工作過程如圖10所示。

圖10 高頻工作過程圖

以圖10為例，開關(guān)頻率設(shè)置為50 kHz，占空比為40%，電容C2、C3、C8可視為其中一個1-2降壓雙橋臂開關(guān)電容變換器的左橋臂回路，而電容C5、C6、C10則為這個1-2降壓雙橋臂開關(guān)電容變換器的右橋臂回路；同理，電容C1、C2、C7組成另一個1-2降壓雙橋臂開關(guān)電容變換器的左橋臂回路，而電容C4、C5、C9則組成這個1-2降壓雙橋臂開關(guān)電容變換器的右橋臂回路。

以獨立的1-2降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器為例，平衡電容C8、C10起著吸收電源電能和對負載釋放能量的作用。電容C2、C3、C5、C6在其電流同時變?yōu)?時，進行充放電的換向，與1-2降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器完全一致。

4 結(jié)束語

本文在1-2雙橋臂開關(guān)電容變換器的基礎(chǔ)上，研究了1-3降壓型開關(guān)電容變換器。首先，對低頻的輸入/輸出電壓變比、功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力、各電容在電源周期的工作波形進行了理論分析；接著，對高頻工作過程中電容的充放電狀態(tài)進行分析；最后，通過仿真結(jié)果進行了驗證，發(fā)現(xiàn)了開關(guān)電容變換器的每個電容的充放電過程和每個電容在何時換向的規(guī)律。采用仿真軟件，解決了試驗過程中不能同時觀察多個電容波形及其規(guī)律的問題。

該分析方法不僅適用于1-3降壓型雙橋臂開關(guān)電容變換器的研究，也適用于1-3降壓型單橋臂開關(guān)電容變換器的研究。

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