級(jí)聯(lián)式DC-DC隔離變換器的研究

董書發(fā)

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級(jí)聯(lián)式DC-DC隔離變換器的研究

董書發(fā)

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

Buck三電平變換器與正激變換器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器，該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)具有輸出整流電壓受輸入電壓波動(dòng)影響小的特點(diǎn)，因此適用于寬輸入電壓波動(dòng)范圍大的場合。該拓?fù)潆娐防弥虚g二極管實(shí)現(xiàn)了對(duì)正激級(jí)高頻變壓器磁通復(fù)位；通過分析該電路周期內(nèi)的工作過程并試制了一臺(tái)450-750 V輸入，多路輸出的樣機(jī)，并給出了當(dāng)輸入電壓520 V時(shí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)波形。采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)省銅材料，減小變壓器體積，動(dòng)態(tài)特性好。

Buck三電平 級(jí)聯(lián)電路 多路隔離輸出

0 引言

目前，常用的隔離式變換器[1]有：反激式變換器、推挽正激式變換器、移相全橋變換器和對(duì)稱半橋變換器等。當(dāng)輸入電壓和輸出電壓相差懸殊，輸出電壓路數(shù)較多時(shí)，需采用隔離式變換器。但單級(jí)隔離式變換器，因輸入、輸出電壓的懸殊，也存在著一些問題：由于變壓器的原、副邊繞組匝比較大，繞組間耦合不佳，漏感大，導(dǎo)致變換器的效率降低；同時(shí)還會(huì)造成較大的占空比丟失，不利于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，影響整體效率的提升。

級(jí)聯(lián)式隔離型變換器[2,3]可任意由其中一級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，有利于實(shí)現(xiàn)變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Buck三電平變換器與正激式級(jí)聯(lián)構(gòu)成的級(jí)聯(lián)式變換器，對(duì)正激式高頻變壓器磁通復(fù)位，沒有采用第三繞組，減少了變壓器的體積，且易于實(shí)現(xiàn)多路輸出。該結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)變換器在設(shè)計(jì)中變壓器繞組之間耦合欠佳等問題，解決了抗輸入電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)性能差的問題。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Buck三電平變換器[4]與正激式級(jí)聯(lián)DC/DC變換器，如圖1所示。Buck三電平變換器環(huán)節(jié)主要針對(duì)輸入電壓變化時(shí)使輸出電壓保持穩(wěn)定，采用電壓型控制[5]，開關(guān)管Q1、Q2相差半個(gè)周期，電容C1上的電壓等于輸入的一半；正激式環(huán)節(jié)采用電流型控制。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）采用Buck三電平變換器大大減小儲(chǔ)能元件的大?。婚_關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半；續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半；

2）兩控制回路相互獨(dú)立互不影響；

3）正激式高頻變壓器沒有用第三繞組，減小了變壓器的體積。通過控制開關(guān)管Q1、Q2使電容C2電壓為一穩(wěn)定的電壓，不受輸入電壓的影響。

圖 1 初級(jí)主電路結(jié)構(gòu)

2 工作原理

為了減化分析，對(duì)初級(jí)主電路做以下假設(shè)：

1）L足夠大，使Buck三電平變換器工作于連續(xù)模式；

2）變壓器及所有的器件都是理想器件。

圖 2 驅(qū)動(dòng)及電壓波形

初級(jí)主電路控制和主要波形如圖2所示，其工作主要有以下幾種情況：

1）[t0，t1]階段Q1，Q3同時(shí)導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，導(dǎo)通回路如圖3(a)粗實(shí)線所示，不難看出，電感充電，穩(wěn)態(tài)時(shí)隔直電容C1兩端的電壓等于/2，可得關(guān)系式（1），（2）即

2）[t1，t2]階段Q1及Q2關(guān)斷，Q3導(dǎo)通，D1、D2續(xù)流。導(dǎo)通回路如圖3(b)粗實(shí)線所示，可得關(guān)系式（3），（4）即

（4）

3）[t2，t3]階段Q2及Q3導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，導(dǎo)通回路如圖3(c)粗實(shí)線所示，可以得關(guān)系式（5），（6）即

4) [t3 ，t4 ]階段Q2導(dǎo)通，Q1及Q3關(guān)斷，電感充電，變壓器磁通復(fù)位通過D3續(xù)流，導(dǎo)通回路如圖3(d)粗實(shí)線所示，可得關(guān)系式（7），(8)即

5）[t4，t5 ]階段Q1、Q2及Q3關(guān)斷，電感L充電，變壓器磁通復(fù)位通過D3續(xù)流，導(dǎo)通回路如圖3(e)粗實(shí)線所示，可得關(guān)系式（9），(10)即

6）[t5，t6]階段Q1導(dǎo)通，Q2及Q3關(guān)斷,變壓器磁通復(fù)位通過D3續(xù)流，導(dǎo)通回路如圖3(f)粗實(shí)線所示,可得關(guān)系式（11），(12)即

由以上分析可知buck三電平變換器與正激式變換器是相互獨(dú)立工作，互不影響。Buck三電平環(huán)節(jié)的輸出電壓為：

（13）式中1-Buck三電平的占空比。

變壓器兩端電壓只與開關(guān)管Q3的開、關(guān)有關(guān)，而與Q1、Q2的導(dǎo)通沒有直接的關(guān)系，當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)為U，關(guān)斷時(shí)為U-U，副邊的輸出為：

（14）式中D2-正激式開關(guān)管的占空比；Ns-正激式變壓器的原邊匝數(shù)；Np-正激式變壓器副邊匝數(shù)；Ui-Buck三電平變換器的輸出電壓，其通過上一級(jí)調(diào)節(jié)得到一穩(wěn)定的電壓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電路參數(shù)：輸入直流電壓的范圍450-750 V；Buck三電平采用電壓型PWM控制芯片SG3525，工作頻率為70 kHz；取3 mH,C2取220mF，隔直電容取2.2mF；正激式環(huán)節(jié)采用電流型PWM控制芯片UC3844，工作頻率50 kHz；MOS管采用2SK1271，二極管采用快恢復(fù)二極管MUR8100；對(duì)于整流側(cè)采用BA159；滿載時(shí)輸出功率70 W。

圖4（a）為Buck三電平環(huán)節(jié)Q1驅(qū)動(dòng)波形，Q2的驅(qū)動(dòng)波形與Q1的驅(qū)動(dòng)波形相差半個(gè)周期，在圖5中沒有給出；圖4（b）為UAB兩端的電壓波形，可以看出其周期是MOS管Q1，Q2開關(guān)周期的一半，幅值為輸入的一半，從而降低開關(guān)管Q1，Q2和二極管D1，D2的應(yīng)力，減小了濾波電感和濾波電容的大??；圖4（c）為當(dāng)輸入電壓520 V為隔直電容C1兩端的電壓波形，可看出為直流輸入側(cè)的一半，輸出電壓260 V；圖4（d）為Buck三電平環(huán)節(jié)輸出直流200 V；圖4(e)正激環(huán)節(jié)Q3的驅(qū)動(dòng)波形及變壓器副輸出邊形，不難看出變壓器可以磁通復(fù)位，但受變壓器電感及漏感的影響，負(fù)半周波形不為嚴(yán)格的矩形方波；圖4(f)為15 V直流輸出波形。

4 結(jié)語

采用“Buck三電平+正激”兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)單級(jí)式變換器在輸入電壓高、波動(dòng)范圍比較大場合時(shí)，開關(guān)管應(yīng)力大，響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，通過并采用一種新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)正激式變換器中高頻變壓器磁通復(fù)位，節(jié)省了銅材料，減小了變壓器的體積，更經(jīng)濟(jì)；兩控制回路相互獨(dú)立，簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗輸入電壓及負(fù)載擾動(dòng)，且易實(shí)現(xiàn)多路輸出。

[1] 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版). 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[2] 黃劍峰, 馬皓. Buck與推挽級(jí)聯(lián)式DC／DC變換器的研究. 電力電子技術(shù), 2008, 42(6): 30-32.

[3] 任小永, 阮新波. 適用于高壓輸入低壓輸出的兩級(jí)式變換器. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(23): 153- 157.

[4] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開關(guān)技術(shù). 北京: 科學(xué)出版社, 2006: 41-46, 81-88.

[5] 鐘小芬, 吳捷. 基于SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片的PWM Buck三電平變換器. 電源應(yīng)用技術(shù), 2004, 7(7): 411-415.

Research on Optimal Cable Segmentation in Offshore Platform Construction

Dong Shufa

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao Shandong 266520, China）

TN624

A

1003-4862（2019）06-0025-04

2018-12-14

董書發(fā)（1984-），男，工程師。研究方向：機(jī)電一體化。E-mail：dongsf@mail.cooec.com.cn