耦合電感三電平DC-DC變換器

（青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520）

伴隨著太陽(yáng)能等清潔能源的廣泛應(yīng)用，光伏板后級(jí)所需的DC-DC升壓變換器就成了國(guó)內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的5種直流變換器（Boost，Buck-Boost，Sepic，Cuk，Zeta）均具有升壓功能，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制，但這類(lèi)變換器僅依靠開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比這單一調(diào)制因子來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，且在高電壓增益場(chǎng)合出現(xiàn)的極限占空比情況會(huì)造成二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，效果不夠理想。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種級(jí)聯(lián)式的升壓變換器，實(shí)現(xiàn)在相同直流輸入值的條件下，有效提高電壓增益。但級(jí)聯(lián)變換器結(jié)構(gòu)的高增益，是以開(kāi)關(guān)管等元件的高應(yīng)力為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅會(huì)增大變換器所需元件的數(shù)量，更會(huì)致使整體電路的成本和實(shí)現(xiàn)難度都大幅度上升。文獻(xiàn)[3-8]在變換器中加入了耦合電感模塊，用以替代原有變換器中的單個(gè)儲(chǔ)能電感，這樣可以實(shí)現(xiàn)在相同導(dǎo)通占空比的情況下，得到更高的電壓增益，但由于漏感的存在，會(huì)增大開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，加大損耗；文獻(xiàn)[9]介紹了變換器三電平變換的新型結(jié)構(gòu)，使得變換器中相應(yīng)元件的電壓應(yīng)力得到有效降低，但其升壓能力并沒(méi)有得到有效提高。

本文提出了一類(lèi)新型耦合電感三電平DCDC變換器，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制，具有高電壓增益和低電壓應(yīng)力的特點(diǎn)。文章以耦合電感三電平Sepic電路為例進(jìn)行了分析和研究，最后用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該類(lèi)變換器的正確性和可行性。

1 耦合電感三電平Sepic變換器

圖1為耦合電感三電平Sepic變換器的原理圖。開(kāi)關(guān)管S1，S2控制工作狀態(tài)切換；繞組L1，L2，L3為耦合繞組，匝比為N1：N2：N3=1：n：n；二極管D1，D2分別與次級(jí)繞組L2，L3串聯(lián)；D3和D4為鉗位二極管；C1，C2為儲(chǔ)能電容；C3，C4為輸出穩(wěn)壓電容。

圖1 耦合電感三電平Sepic變換器Fig.1 Three-level Sepic converter with coupled-inductor

1.1 工作狀態(tài)分析

考慮漏感及開(kāi)關(guān)管寄生電容的情況下，1個(gè)周期內(nèi)，電路共有8種工作狀態(tài)，如圖2所示。圖3為不同工作狀態(tài)下，關(guān)鍵器件的工作波形圖，其中各個(gè)時(shí)間段代表各個(gè)工作狀態(tài)。

狀態(tài)1（圖2a）：圖3中t0—t1為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)始導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S1的寄生電容CS1通過(guò)閉合回路開(kāi)始放電。輸入電壓Ug通過(guò)開(kāi)關(guān)管S1，S2給勵(lì)磁電感L1充電，L1上電流增加，儲(chǔ)能電容C1，C2放電并且為儲(chǔ)能電感L充電。同時(shí)，漏感L2k將能量釋放到輸出電容C3上，輸出電容C4向負(fù)載R提供能量。

狀態(tài)2（圖2b）：圖3中t1—t2為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。此狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S1完全導(dǎo)通，S2繼續(xù)上階段持續(xù)導(dǎo)通的狀態(tài)。寄生電容CS1、漏感L2k結(jié)束放電過(guò)程。輸入電壓Ug繼續(xù)給勵(lì)磁電感L1充電，L1上電流持續(xù)增加。儲(chǔ)能電容C1，C2繼續(xù)放電為儲(chǔ)能電感L充電，輸出電容C3，C4向負(fù)載R提供能量。

狀態(tài)3（圖2c）：圖3中t2—t3為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷，寄生電容CS2開(kāi)始充電，開(kāi)關(guān)管S2兩端電壓迅速上升。漏感L1k放電，此時(shí)鉗位二極管D4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S2的電壓應(yīng)力被鉗位至輸出電容C4電壓和儲(chǔ)能電容C2電壓之和，這樣，在漏感釋放能量過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力尖峰大大減小，避免漏感產(chǎn)生的尖峰電壓對(duì)開(kāi)關(guān)管造成損壞，同時(shí)，漏感L1k釋放的能量傳送到輸出電容C4上，降低了損耗，提高了拓?fù)涞墓ぷ餍省?/p>

圖2 耦合電感三電平Sepic變換器工作狀態(tài)Fig.2 Working process of three-level Sepic converter with coupled-inductor

圖3 不同狀態(tài)下關(guān)鍵器件電壓、電流波形Fig.3 The voltage and current waveforms of key device in different states

狀態(tài)4（圖2d）：圖3中t3—t4為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。此狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷。漏感L1k放電過(guò)程逐漸結(jié)束，鉗位二極管D4反向截止，續(xù)流二極管D2導(dǎo)通。延續(xù)上一階段，勵(lì)磁繞組L1、儲(chǔ)能電容C1、儲(chǔ)能電感L釋放能量給儲(chǔ)能電容C2、輸出電容C4充電，輸出電容C3放電并向負(fù)載R提供能量。初級(jí)繞組電壓通過(guò)電感的耦合關(guān)系映射到次級(jí)繞組上。

狀態(tài)5（圖2e）：圖3中t4—t5為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。在t4時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S2開(kāi)始導(dǎo)通，寄生電容CS2通過(guò)閉合回路開(kāi)始放電。輸入電壓Ug通過(guò)開(kāi)關(guān)管S1，S2給勵(lì)磁電感L1充電，L1上電流增加，儲(chǔ)能電容C1，C2放電并且為儲(chǔ)能電感L充電。同時(shí)，漏感L3k將能量釋放到輸出電容C4上，輸出電容C3向負(fù)載R提供能量。

狀態(tài)6（圖2f）：圖3中t5—t6為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。開(kāi)關(guān)管S1延續(xù)上一階段持續(xù)導(dǎo)通，S2完全導(dǎo)通的狀態(tài)。寄生電容CS2、漏感L3k結(jié)束放電過(guò)程。輸入電壓Ug繼續(xù)給勵(lì)磁電感L1充電，L1上電流持續(xù)增加，儲(chǔ)能電容C1，C2繼續(xù)放電為儲(chǔ)能電感L充電，輸出電容C3，C4向負(fù)載R提供能量。

狀態(tài)7（圖2g）：圖3中t6—t7為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。在t6時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷，寄生電容CS1開(kāi)始充電，開(kāi)關(guān)管S1兩端電壓迅速上升。漏感L1k迅速放電，此時(shí)鉗位二極管D3導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S1的電壓應(yīng)力被箝位至輸出電容C3電壓和儲(chǔ)能電容C1電壓之和。這樣，可以有效減小開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，并提高整體電路的工作效率。

狀態(tài)8（圖2h）：圖3中t7—t8為該狀態(tài)下的關(guān)鍵器件波形。此狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通。漏感L1k放電結(jié)束，延續(xù)上一階段，勵(lì)磁電感L1、儲(chǔ)能電容C2、儲(chǔ)能電感L釋放能量給儲(chǔ)能電容C1、輸出電容C3充電，輸出電容C4放電并向負(fù)載R提供能量。初級(jí)繞組電壓通過(guò)電感的耦合關(guān)系映射到次級(jí)繞組上。

1.2 直流穩(wěn)態(tài)分析

在忽略過(guò)渡階段、不考慮寄生參數(shù)和漏感的情況下，電路主要有4種工作模態(tài)。

模態(tài)1（圖2b）：開(kāi)關(guān)管S1和S2均導(dǎo)通，3個(gè)工作回路為：Ug—L1—S1—S2，C1—S1—S2—C2—L，C3—C4—R。電壓關(guān)系式為

式中：UL，UL1為繞組L，L1的電壓；UC1，UC2，UC3，UC4為電容 C1，C2，C3，C4的電壓；Ug為輸入電壓；Uo為輸出電壓。

模態(tài)2（圖 2d）：開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷，工作回路為：Ug—L1—C4—L3—C2，C1—C4—L3—L。電壓關(guān)系式為

式中：UL3為繞組L3的電壓；n為匝數(shù)比。

模態(tài)3（圖2f）：此階段的穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程與模態(tài)1完全相同。

模態(tài)4（圖 2h）：開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通，工作回路為：Ug—L1—C1—L2—C3，C2—L—L2—C3。電壓關(guān)系式為

根據(jù)電感L1和L的伏秒平衡法則，得到：

1.3 對(duì)比分析

1.3.1 增益對(duì)比

圖4為傳統(tǒng)Sepic電路和耦合電感三電平電路多繞組情況下的電壓增益對(duì)比曲線(xiàn)圖。

圖4 電壓增益對(duì)比圖Fig.4 The comparison figure of voltage gain

由圖4可知，耦合電感三電平Sepic電路可以通過(guò)占空比和匝數(shù)比來(lái)調(diào)節(jié)增益，傳統(tǒng)Sepic僅可通過(guò)占空比調(diào)節(jié)增益，且電壓增益相同時(shí)，傳統(tǒng)Sepic變換器需要的占空比更大，過(guò)大的占空比易導(dǎo)致各個(gè)元器件的損耗更大，造成電路板的損壞。

1.3.2 應(yīng)力對(duì)比

Sepic電路的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力US為

由于S1和S2所在回路也完全對(duì)稱(chēng)，因此US1=US2。在電路進(jìn)入正常穩(wěn)態(tài)的條件下，當(dāng)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，有：

由式（9）可得開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力US2：

由此可知，占空比相同時(shí)，耦合電感三電平Sepic變換器不僅開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力是Sepic變換器的一半，且能夠獲得更高的電壓增益。低的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，能夠減小開(kāi)關(guān)損耗，降低電磁干擾，提高工作效率及電路的安全性和穩(wěn)定性。

2 耦合電感三電平變換器

將此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到其他傳統(tǒng)DC-DC變換器中，可以得到一類(lèi)變換器，如圖5所示。

圖5 耦合電感三電平DC-DC變換器族Fig.5 A family of three-level DC-DC converters with coupled-inductor

以上變換器的工作狀態(tài)及工作原理與耦合電感三電平Sepic變換器幾乎相同，具體工作過(guò)程不再贅述，其電壓增益B如表1所示。

表1 耦合電感三電平DC-DC變換器電壓增益Tab.1 Voltage gain of three-level DC-DC converter with coupled-inductor

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 器件的設(shè)計(jì)及選型

3.1.1 勵(lì)磁電感計(jì)算

電流紋波Δi和流經(jīng)繞組的電流有效值iAVE的比值，稱(chēng)為電感紋波系數(shù)r，其值一般取0.4，計(jì)算如下：

其中，電源電壓Ug=12 V，在1個(gè)穩(wěn)定周期中，勵(lì)磁電感 L1的充電時(shí)間t=（2D-1）T=（2D-1）∕f，其中，T為1個(gè)開(kāi)關(guān)周期，f為開(kāi)關(guān)頻率。根據(jù)功率等級(jí)計(jì)算出在1個(gè)周期內(nèi)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)耦合繞組中的勵(lì)磁電感L1的電流有效值約為10 A，代入式（12）中，得：

式中：E為電感兩端的電壓。

為避免飽和現(xiàn)象，對(duì)電路造成不良影響，電感量取值為100 μH。

3.1.2 開(kāi)關(guān)管的計(jì)算與選型

開(kāi)關(guān)管切換漏感釋放能量時(shí)，此時(shí)電壓應(yīng)力最高，鉗位二極管開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力鉗位在：

兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都導(dǎo)通的工作狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力達(dá)到最大，為

所以，開(kāi)關(guān)管型號(hào)選為IRFR3410，其電壓為100 V，最大漏極電流31 A，導(dǎo)通電阻0.039 Ω，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建了一臺(tái)100 W的耦合電感三電平Sepic實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其具體參數(shù)如表2所示。圖6為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要的電壓和電流波形圖。

圖6a可知，當(dāng)輸入電壓Ug=12 V時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓Uo=80 V，這與初始設(shè)定值完全一致，且電壓非常穩(wěn)定。圖6b為控制信號(hào)、原邊和副邊繞組的電壓波形。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，L1開(kāi)始充電；一個(gè)導(dǎo)通、另一個(gè)關(guān)斷時(shí)，繞組開(kāi)始放電，且電壓值的比例與匝數(shù)比呈現(xiàn)相同的數(shù)量關(guān)系。圖6c為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)、開(kāi)關(guān)管S1的漏源電壓及鉗位二極管D3的電流波形圖，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，在漏感放電瞬間，D3開(kāi)始工作，使其電壓尖峰被鉗位至固定數(shù)值處，鉗位瞬時(shí)有電流經(jīng)過(guò)。圖6d為額定負(fù)載變至重載時(shí)，電容C3電壓及輸出電流io的波形圖，負(fù)載變重，輸出電壓突然降低，但很快恢復(fù)穩(wěn)定，同時(shí)，io升高，負(fù)載電流增大并保持穩(wěn)定。圖6e為輸入電壓由額定值12 V突然增大至16 V時(shí)的波形圖，輸出電壓突然增大，此時(shí)占空比降低，使得輸出電壓很快恢復(fù)額定值。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 The experimental waveforms

圖7所示為通過(guò)改變負(fù)載來(lái)改變輸出功率的效率對(duì)比圖，樣機(jī)輸出功率在達(dá)到50 W前，整體效率隨著輸出功率的增大而上升，在50 W左右時(shí)，均達(dá)到了效率峰值，之后便逐漸下降。整個(gè)過(guò)程中，耦合電感三電平Sepic變換器的效率要高于Sepic變換器的效率，整體效率在90%左右。圖8為耦合電感三電平Sepic變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)效率對(duì)比圖Fig.7 The Comparison figure of experimental efficiency

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖Fig.8 The photo of experimental prototype

4 結(jié)論

耦合電感三電平DC-DC變換器拓?fù)渥宓?個(gè)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1）高電壓增益。耦合電感使得系統(tǒng)電壓增益由開(kāi)關(guān)管占空比大小這一單自由度控制，轉(zhuǎn)向由占空比和匝數(shù)比雙自由度調(diào)節(jié)，不僅能達(dá)到高電壓增益的要求，還能避免占空比達(dá)到極限狀態(tài)的惡劣情況，保障了變換器的安全性和高效性。

2）低電壓應(yīng)力。三電平結(jié)構(gòu)可以有效降低電壓應(yīng)力，使得器件選型更加容易。鉗位二極管使得開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓應(yīng)力被有效鉗位在固定值，并將其瞬間能量引導(dǎo)至儲(chǔ)能電容。既保證了變換器在器件選型上的高性?xún)r(jià)比，又保證了其輸出上的高轉(zhuǎn)換效率。