四相交錯(cuò)電路中占空比對(duì)紋波電流的影響研究

宋克嶺， 蔣任君， 范 磊， 呂 清

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京100072)

在高壓大功率開(kāi)關(guān)電路中，Buck/Boost電路由于其具有電路簡(jiǎn)單、輸入輸出電壓變比可由零到無(wú)窮大等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于電力變換[1].由于其輸入、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.紋波電流是指電流中的高次諧波成分，如果電流的紋波成分過(guò)大,超過(guò)了電容的最大容許紋波電流RMS,會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備電容燒毀[2-4].但是紋波電流并不能通過(guò)某種方法避免，只能被抑制或者補(bǔ)償.多重交錯(cuò)技術(shù)可以有效地減少電路中的紋波電流，提高電源平穩(wěn)性，提升雙向DC/DC變換器的輸出功率[5-6].利用多重交錯(cuò)技術(shù)，可以大大減小變換器的體積和重量，提高系統(tǒng)可靠性[7-8].

本研究針對(duì)四相交錯(cuò)Buck/Boost電路，從理論上推導(dǎo)并得到占空比對(duì)歸一化紋波幅值的影響關(guān)系，其目的是通過(guò)選取合適的占空比工作范圍，進(jìn)而減少實(shí)際電路紋波電流.

1 四相交錯(cuò)Buck電路的紋波電流

在連續(xù)模式下，單相Buck電路的輸出紋波電流為：

(1)

式中：VHigh為輸入電壓；D為開(kāi)關(guān)管上管占空比；Ts為周期；L為電感值.

由公式(1)可知，占空比會(huì)影響到單相紋波電流.在其他條件已知的情況下，占空比越大，則單相Buck電路的輸出紋波電流越小.但是對(duì)于總紋波電流，其結(jié)果不盡相同.

采用多重交錯(cuò)電路，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差θ=2π/N，四相交錯(cuò)Buck/Boost電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差θ=2π/4=π/2.各電感電流和總電流如圖1(b)所示.總的紋波電流為四相電感電流的疊加效果，即i0=iL1+iL2+iL3+iL4.

隨著占空比從0到1的不斷增加，每個(gè)周期內(nèi)單相波形電流達(dá)到最大值的時(shí)間將被延后.根據(jù)該最大值點(diǎn)和其余每個(gè)紋波電流起始位置關(guān)系，需要將占空比分為4段進(jìn)行分析，即：0

圖1 四相交錯(cuò)Buck電路拓?fù)浜碗姼屑y波電流

圖2 四相交錯(cuò)Buck電路的電感紋波電流

當(dāng)3/4

綜上所述，四相交錯(cuò)Buck電路，輸出電流歸一化紋波幅值，即總紋波電流與單相紋波電流的比值為：

(2)

圖3 紋波電流與占空比關(guān)系

從圖3(a)中可以看出，在占空比為0.25、0.5、0.75時(shí)，歸一化紋波幅值為零，這也是此類(lèi)轉(zhuǎn)換器理想工作點(diǎn).占空比小于0.2或者大于0.8時(shí)，歸一化紋波幅值迅速增大.從圖3(b)中也可以看出，最佳工作點(diǎn)為0.25、0.5和0.75，此處的輸出總紋波電流為0.

2 四相交錯(cuò)Buck電路的紋波電流仿真分析

為驗(yàn)證這一結(jié)論的真實(shí)性，采用MATLAB和PSIM軟件進(jìn)行仿真分析，搭建的四相交錯(cuò)Buck/Boost電路控制模型如圖4所示.

其中，PSIM軟件中的電路模型如圖5所示.

圖4 MATLAB仿真模型

圖5 PSIM四相交錯(cuò)模型

從0時(shí)刻開(kāi)始，設(shè)置占空比從0每隔0.001 s增加1/32逐漸到1，截取某段時(shí)刻占空比和電流的曲線(xiàn)如圖6所示.圖6(a)為總電流波形，圖6(b)為每相電流波形，圖6(c)為占空比的變化.從圖中可以看出，占空比每0.001 s進(jìn)行一次自加，在0.001 s周期內(nèi)總電流可以迅速達(dá)到穩(wěn)定.

圖6 四相交錯(cuò)Buck電路的電感紋波電流隨占空比變化

通過(guò)調(diào)整合適的采集觸發(fā)時(shí)間，過(guò)濾不穩(wěn)定周期的數(shù)據(jù)后進(jìn)行輸出.仿真獲得的四相交錯(cuò)Buck電路輸出電流歸一化紋波幅值與占空比的關(guān)系如圖7所示.

圖7 歸一化紋波幅值與占空比關(guān)系

將仿真曲線(xiàn)和理論曲線(xiàn)圖3(a)進(jìn)行對(duì)比，分別求平均，求得歸一化紋波幅值ΔI/ΔI1的誤差平均值為0.082，并且兩曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，符合一定相關(guān)性.

3 四相交錯(cuò)Boost電路的紋波電流

在連續(xù)模式下，由于開(kāi)關(guān)管下管S1和開(kāi)關(guān)管上管S2是互補(bǔ)導(dǎo)通的，所以當(dāng)上管關(guān)閉后，下管即刻打開(kāi).此時(shí)，電感通過(guò)下管開(kāi)始儲(chǔ)能，上管電流因此會(huì)突然降為0，單相Boost電路上下管電流如圖8所示.

圖8 Boost電路上下管電流

當(dāng)0

圖9 0

由于平均電流受負(fù)載影響，負(fù)載重時(shí)，圖8中，ΔIs2會(huì)向上移動(dòng).因此想要減小總紋波電流，只能通過(guò)減小單相電感的紋波電流IL.

Boost電路中，輸入和輸出電壓關(guān)系為VHigh=Vlow/(1-D)，再由公式(1)可得ΔIL.

(3)

式中：Vlow為輸入電壓；D為開(kāi)關(guān)管下管占空比；Ts為周期；L為電感值；

由公式(3)可知，電路紋波電流主要受占空比影響.占空比越大，Boost電路中紋波電流越大.

4 結(jié)果分析

在連續(xù)模式下，Buck電路中，當(dāng)占空比為0.25、0.5、0.75時(shí)，歸一化紋波幅值最小為0.在占空比小于0.2或大于0.8時(shí)，歸一化紋波幅值急速增加.占空比在0、0.25、0.5、0.75和1時(shí)，總紋波電流為0.因此考慮總輸出效應(yīng)，最佳工作占空比在0.25、0.5、0.75位置.如若考慮單相電感紋波電流，由公式(1)可知，單相紋波電流隨占空比的增加，呈現(xiàn)拋物線(xiàn)變化，在占空比為0.5時(shí)，單向紋波電流達(dá)到最大為0.25/L×VHigh×Ts，應(yīng)當(dāng)避免選擇該點(diǎn)附近.因此，Buck電路最佳占空比應(yīng)該選在0.25和0.75.

在連續(xù)模式下，Boost電路中，輸出電流為開(kāi)關(guān)管上管的電流，因此，開(kāi)關(guān)管下管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)外并不輸出電流，總紋波電流等于單相電感紋波電流.由公式(3)可知，電路紋波電流主要受占空比影響，當(dāng)開(kāi)關(guān)管下管占空比越大時(shí)，Boost電路中紋波電流越大.為了減小電感紋波電流，應(yīng)選擇較小的占空比，即減小變比.

本研究采用:電壓從900 V至600 V時(shí)，則D=Vout/Vin=2/3時(shí)，歸一化紋波幅值為1/4；電壓轉(zhuǎn)換從900 V至270 V時(shí)，則D=270/900=0.3時(shí)，歸一化紋波幅值為0.190 5；實(shí)際所用的占空比范圍在0.25和0.75附近，此時(shí)工作范圍內(nèi)紋波電流較小.

5 結(jié) 論

考慮使用的情況，四相交錯(cuò)電路中，如若電路僅工作在Buck模式下，考慮到減小紋波電流，占空比應(yīng)該選擇在0.25和0.75這兩個(gè)點(diǎn)附近.如若電路僅工作在Boost模式下，應(yīng)該盡量選擇較小的變比，如若電路工作在雙向Buck/Boost模式下，應(yīng)該盡量選擇下管占空比在0.25位置附近.

實(shí)際使用中，因電流不連續(xù)，紋波電流略大于計(jì)算值，但由于濾波電容的存在及負(fù)載較輕，DC對(duì)外的紋波電流并不會(huì)出現(xiàn)明顯增大.因此，四相交錯(cuò)Buck/Boost電路結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)選擇合適占空比進(jìn)一步減小紋波電流.