一種適用于輸入串聯(lián)型變換器基于耦合電感的無源緩沖環(huán)節(jié)

魏 亮，孟 濤

(黑龍江大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

采用多個電路在輸入側(cè)串聯(lián)的方式能夠降低電路中各種器件實際承受的電壓值，有效解決各種高壓變換器電壓應(yīng)力大的問題。按照輸入、輸出側(cè)連接方式的不同，輸入串聯(lián)型變換器一般有兩種基本類型：輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input-series output-parallel, ISOP)型和輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)(input-series output-series, ISOS)型，前者適合多數(shù)常規(guī)的中、低壓輸出場合，后者一般只用于需要高壓輸出的場合[1-4]。

輸入串聯(lián)型變換器研究的關(guān)鍵任務(wù)是保證各串聯(lián)電路輸入側(cè)的均壓，此外，ISOP型和ISOS型變換器還要分別實現(xiàn)輸出側(cè)的均流和均壓。為了實現(xiàn)該類變換器的均壓與均流，目前研究最多的是均壓、均流控制方法。采用均壓、均流控制方法可實現(xiàn)該類變換器各串聯(lián)電路間電壓與電流的均衡[2-10]。然而，引入專門的控制環(huán)節(jié)后，變換器控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也顯著增加，因此，已有的均壓、均流控制方法一般均在中大功率場合應(yīng)用。

在眾多輸入串聯(lián)型變換器中，不額外增加任何均壓、均流控制環(huán)節(jié)的情況下，采用各串聯(lián)電路共用一個控制器、基于相同占空比的工作方式也可保證各串聯(lián)電路具備一定的自然均壓與均流能力，符合中小功率變換器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的設(shè)計要求[11-16]。在中小功率場合，變換器一般采用正激、反激拓?fù)洌嬖谝韵虏蛔悖孩俑鞔?lián)電路在開關(guān)管關(guān)斷期間不具備自然均壓能力；②各串聯(lián)電路的緩沖或鉗位環(huán)節(jié)不具備自然均壓能力，因此，無法確保各串聯(lián)電路開關(guān)管的電壓均衡[12]。

針對輸入串聯(lián)型正激、反激變換器，提出一種基于耦合電感的無源緩沖環(huán)節(jié)，在完成各串聯(lián)電路變壓器漏感或勵磁能量吸收與回饋任務(wù)的同時，使各串聯(lián)電路在開關(guān)管關(guān)斷期間具備自然均壓能力，同時各吸收電容具備自然均壓能力，確保各串聯(lián)電路開關(guān)管的電壓均衡。本文基于該類反激變換器為例開展研究，對所提無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程、設(shè)計要素等進行深入分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一臺1.5 kV的該類變換器實驗樣機對所提方法進行實驗驗證。

1 無源緩沖環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 無源緩沖環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

帶所提無源緩沖環(huán)節(jié)的兩種輸入串聯(lián)型反激變換器，見圖1。變換器的N(N≥1)個串聯(lián)電路共用1個集成變壓器和1組輸出電路(數(shù)量為n,n≥1)，主要面向需要多路輸出的應(yīng)用場合(圖1(a))；變換器的N個串聯(lián)電路采用ISOP型結(jié)構(gòu)(也可以采用ISOS結(jié)構(gòu))，主要面向單路輸出的應(yīng)用場合(圖1(b))。Vi為變換器的輸入電壓；Vi1, …,ViN為各串聯(lián)電路的輸入電壓；Ci1, …,CiN(Ci1=…=CiN)為輸入濾波電容；S1, …,SN為開關(guān)管；Lp1, …,LpN(Lp1=…=LpN)和Ls1, …,Lsn為圖1(a)變換器集成變壓器(Ti)各原邊和副邊繞組的等效電感量；LP1, …,LPN(LP1=…=LPN)和LS1, …,LSN為圖1(b)變換器各變壓器(T1, …,TN) 原邊和副邊繞組的電感量；Do1, …,Don和Do1, …,DoN為各輸出電路的整流二極管；Co1, …,Con和Co為輸出濾波電容；Vo1, …,Von和Vo為輸出電壓。在兩種變換器中，所有開關(guān)管同步開關(guān)工作，在不額外增加任何均壓控制環(huán)節(jié)的情況下即可實現(xiàn)各串聯(lián)電路的輸入均壓，具有簡單、可靠的優(yōu)勢。

圖1 帶所提無源緩沖環(huán)節(jié)的兩種輸入串聯(lián)型反激變換器

該無源緩沖環(huán)節(jié)由吸收電容C1, …,CN(C1=…=CN)、耦合電感(L1=…=LN為耦合電感的等效電感量)和二極管(D11,D12, …,DN1,DN2)構(gòu)成。在各串聯(lián)電路中，利用吸收電容吸收反激變壓器漏感(Llk1, …,LlkN)在開關(guān)管關(guān)斷后的剩余能量，通過耦合電感與吸收電容的諧振工作將該能量向變換器的輸入側(cè)回饋。耦合電感使各串聯(lián)電路在開關(guān)管關(guān)斷階段具備了輸入自然均壓的能力，另外，在耦合電感與吸收電容的諧振過程中，實現(xiàn)了各吸收電容的電壓均衡，確保各串聯(lián)電路的開關(guān)管電壓均衡。

1.2 無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程

結(jié)合圖1(a)變換器對所提無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程進行分析，條件如下：①以輸入串聯(lián)電路數(shù)N=2和輸出電路數(shù)n=2為例；②以變換器工作于電流斷續(xù)模式(DCM)為例；③認(rèn)為電路中的元器件均為理想元器件(只考慮變壓器漏感)，忽略各串聯(lián)電路之間的器件參數(shù)誤差以及電壓、電流差異；④認(rèn)為吸收電容C1,C2與輸出濾波電容Co1,Co2足夠大，分析時將它們視為恒壓源(VC1,VC2,Vo1,Vo2)。在一個開關(guān)周期內(nèi)該變換器主要有以下4個工作階段，各階段的等效電路見圖2。

圖2 各階段的等效電路

工作階段1 (t0-t1)：t0時刻，S1,S2導(dǎo)通。t0時刻以后，輸入直流電壓源對集成變壓器原邊電感充電，電感電流由零上升。在無源緩沖環(huán)節(jié)中，D11,D21截止，D12,D22導(dǎo)通，C1和C2分別通過S1,D12和S2,D22對耦合電感充電，耦合電感電流由零上升。到t1時刻，集成變壓器原邊電感電流與耦合電感電流上升至一個開關(guān)周期內(nèi)的最大值：

(1)

(2)

其中，Vi1=Vi/2；T為該變換器的開關(guān)周期；D=(t1-t0)/T為占空比。

本階段，Do1,Do2截止，變換器的輸出能量僅由Co1,Co2放電提供，D11和D21的電壓為Vi/2+VC1和Vi/2+VC2，D12和D22的電流為iL1和iL2，S1和S2的電流為iLp1+iL1和iLp2+iL2。

工作階段2 (t1-t2)：t1時刻，S1,S2關(guān)斷，集成變壓器原邊電感能量轉(zhuǎn)移至副邊，并進一步向輸出側(cè)釋放，在此過程中，Do1,Do2導(dǎo)通。在無源緩沖環(huán)節(jié)中，D11,D21導(dǎo)通，Llk1和Llk2分別通過D11和D21向C1和C2釋放能量，L1和L2分別通過D11,D12和D21,D22向輸入側(cè)回饋能量。t1時刻以后，集成變壓器原邊電感電流與耦合電感電流的變化規(guī)律：

(3)

(4)

其中，nps為集成變壓器原、副邊繞組的匝數(shù)比。

到t2時刻，Llk1,Llk2的能量釋放完畢，即iLp1(t2)=iLp2(t2)=0。本階段，S1和S2的電壓為Vi/2+VC1和Vi/2+VC2，D11和D21的電流為iLp1+iL1和iLp2+iL2，D12和D22的電流為iL1和iL2。

工作階段3 (t2-t3)：t2時刻以后，L1,L2繼續(xù)向輸入側(cè)回饋能量，集成變壓器副邊電感繼續(xù)向輸出側(cè)釋放能量。到t3時刻，L1,L2的能量回饋完畢，即iL1(t3)=iL2(t3)=0。本階段，S1,S2的電壓為Vi/2+npsVo1，D11,D12和D21,D22的電流為iL1和iL2。

工作階段4 (t3-t4)：t3時刻以后，集成變壓器副邊電感繼續(xù)向輸出側(cè)釋放能量，并于t4時刻之前結(jié)束。t4時刻，S1,S2再次導(dǎo)通，變換器進入下一個開關(guān)周期的工作中。

由圖2可見，在工作階段2和3，耦合電感向變換器的輸入側(cè)回饋能量，在此過程中通過電感的耦合作用可以實現(xiàn)各串聯(lián)電路的輸入均壓；在工作階段1，吸收電容C1,C2對耦合電感充電，在此過程中通過電感的耦合作用可以實現(xiàn)C1,C2的電壓均衡，進而實現(xiàn)開關(guān)管S1,S2的電壓均衡?；隈詈想姼械木鶋簩崿F(xiàn)機理與該類變換器基于反激式集成變壓器各原邊繞組耦合的輸入均壓實現(xiàn)機理相似[12]。所提無源緩沖環(huán)節(jié)還可應(yīng)用于輸入串聯(lián)型正激變換器。應(yīng)用于此類正激變換器時，該無源緩沖環(huán)節(jié)的基本工作過程與上述過程相似，只是在緩沖環(huán)節(jié)吸收并向輸入側(cè)回饋的能量中增加了集成變壓器勵磁電感的能量。

2 無源緩沖環(huán)節(jié)耦合電感的設(shè)計要素

該無源緩沖環(huán)節(jié)中，各吸收電容被視為恒壓源，為了抑制其充、放電過程中的電壓波動，在設(shè)計上，各吸收電容存在一個最小電容值的限制要求。各吸收電容最小值的估算方法與各類變換器中其它常規(guī)電容最小值(如輸出濾波電容最小值)的估算方法相似。

2.1 耦合電感的等效電感量

忽略各串聯(lián)電路間電壓、電流差異的條件下，在輸入串聯(lián)電路數(shù)為N(Vi1=…=ViN=Vi/N)的情況下進行分析，仍然以變換器工作于DCM模式為例進行。

在任意一個串聯(lián)電路中，吸收電容(C1)在工作階段2將變壓器漏感(Llk1)的能量吸收，并于工作階段1將此部分能量轉(zhuǎn)移至耦合電感。在一個開關(guān)周期內(nèi)考慮吸收電容(C1)的充、放電平衡可得

(5)

由式(1)、式(2)和式(5)得

(6)

由式(2)和式(6)得

(7)

在工作階段2，為了確保變壓器漏感能量被完全吸收，由式(3)得

(8)

在工作階段2和3，為了確保耦合電感的能量向變換器輸入側(cè)回饋完畢，由式(4)得

(9)

由式(6)～(9)可以得到耦合電感的等效電感量限制條件：

(10)

結(jié)合該無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程可以得到開關(guān)管S1, …,SN的電壓、電流應(yīng)力(VS,IS)，二極管D11, …,DN1的電壓、電流應(yīng)力(VD1,ID1)以及D12, …,DN2的電壓、電流應(yīng)力(VD2,ID2)：

(11)

(12)

(13)

(14)

由式(11)～(14)可見，各串聯(lián)電路主要功率器件電壓應(yīng)力(VS和VD1)隨著耦合電感等效電感量的增加而增加(VD2的最大值為Vi/N)，而電流應(yīng)力隨著耦合電感等效電感量的增加而降低。因此，在實際中，該耦合電感等效電感量應(yīng)該在滿足式(10)的前提下，結(jié)合各串聯(lián)電路主要功率器件的具體情況進行設(shè)計。

2.2 耦合電感的AP值估算

由基本的耦合電感模型可得

(15)

其中，L11=…=LNN為耦合電感的自感值；M為互感值。

對于該耦合電感而言，各串聯(lián)電路電壓均衡的實現(xiàn)需要具有較高的耦合系數(shù)。如果以耦合系數(shù)為1進行估算，則式(15)中自感值與互感值近似相等。在忽略各串聯(lián)電路間電壓、電流差異(認(rèn)為VL1=…=VLN以及iL1=…=iLN)的情況下，近似得

(16)

在進行AP值估算時，可將該耦合電感等效為常規(guī)電感，電感量為L11，電流最大值為NiL1(t1)。因此，該耦合電感的AP值估算如下

(17)

其中，B為磁芯的最大工作磁感應(yīng)強度；J為繞組的電流密度；K為磁芯的窗口利用率。

3 實驗結(jié)果及分析

設(shè)計一臺帶所提無源緩沖環(huán)節(jié)的輸入串聯(lián)型反激變換器(圖1(a))進行實驗研究。該變換器的基本參數(shù)為：Vi=1.4～1.6 kV (N=3)；Ci1=Ci2=Ci3=0.1 μF；nps=5,Lp1=Lp2=Lp3=3.6 mH；Co1=Co2=1 000 μF；Vo1=Vo2=24 V (n=2),Io1=1.5 A,Io2=1 A。無源緩沖環(huán)節(jié)的主要參數(shù)為：C1=C2=C3=0.1 μF；耦合電感磁芯選擇ETD29,L1=L2=L3=3.1 mH。

當(dāng)輸入電壓為1.5 kV時各串聯(lián)電路的開關(guān)管電壓與電流波形，見圖3。由圖3可見，該變換器3個串聯(lián)電路的開關(guān)管具有很好的均壓與均流效果。

圖3 各串聯(lián)電路開關(guān)管的電壓與電流波形

當(dāng)輸入電壓為1.5 kV時該無源緩沖電路中3個吸收電容的電壓與耦合電感的電流波形，見圖4。由圖4可見，3個吸收電容的電壓基本均衡，耦合電感3個支路的電流基本一致。

圖4 無源緩沖環(huán)節(jié)的主要電壓與電流波形

當(dāng)變換器的輸入電壓(Vi)發(fā)生突變時，各串聯(lián)電路的輸入電壓波形見圖5(a)。由圖5(a)可見，各串聯(lián)電路在此過程中具有很好的輸入均壓效果。負(fù)載突變時(Io1發(fā)生突變,Io2=1 A)時的輸出電壓Vo1(交流檔)與輸出電流Io1波形見圖5(b)。由圖5(b)可見，采用無源緩沖環(huán)節(jié)后，該變換器仍具備很好的輸出調(diào)整能力。

圖5 變換器輸入與輸出側(cè)的暫態(tài)波形

4 結(jié) 論

針對輸入串聯(lián)型正激、反激變換器在輸入均壓實現(xiàn)方面的不足，提出一種由吸收電容、耦合電感以及二極管構(gòu)成的無源緩沖環(huán)節(jié)。對所提無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程、設(shè)計要素等進行了深入分析，并設(shè)計一臺1.5 kV的該類變換器實驗平臺進行實驗研究。理論分析與實驗結(jié)果表明：(1) 在該變換器的各串聯(lián)電路中，變壓器在開關(guān)管關(guān)斷后的剩余能量被該無源緩沖環(huán)節(jié)的吸收電容所吸收，并通過耦合電感與吸收電容的諧振工作回饋至變換器的輸入側(cè)；(2) 在該無源緩沖環(huán)節(jié)的工作過程中，耦合電感的采用使得各串聯(lián)電路在開關(guān)管關(guān)斷期間具備自然均壓能力，并且實現(xiàn)了該無源緩沖環(huán)節(jié)各吸收電容的電壓均衡，確保了各串聯(lián)電路開關(guān)管的電壓均衡。