一種具有大降壓比的新型DC-DC 變換器*

萬文軒 劉 綱 尹 力 傅 萌

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司 武漢 430000；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096)

1 引言

隨著電子電氣技術(shù)的飛速發(fā)展以及可再生能源的廣泛應(yīng)用，高壓母線與低壓負(fù)載之間的壓差愈發(fā)加大。例如數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中母線電壓逐漸向400 V 發(fā)展，而目前主流的先進(jìn)芯片組供電電壓則低于1 V，降壓比達(dá)1∶400[1]。在戶用光伏儲(chǔ)能應(yīng)用中，面板陣列輸出電壓與電池組電壓之間的降壓比通常也低于1∶10[2]。為了適配母線與負(fù)載之間的大壓差，通常需要使用高性能、大降壓比的降壓轉(zhuǎn)換器。

一種方案是使用經(jīng)典的Buck 變換器直接降壓，但此時(shí)通常工作在極小占空比，導(dǎo)致變換效率、器件應(yīng)力、電磁干擾都非常惡劣[3-4]。其次，可以考慮加入高頻變壓器進(jìn)行降壓，但同時(shí)也增加了體積和控制復(fù)雜度，且變壓器漏感會(huì)導(dǎo)致額外的損耗和器件應(yīng)力[5-7]。另一種方法是將多級(jí)Buck 電路級(jí)聯(lián)，盡管開關(guān)器件的應(yīng)力有所改善，但是整體電路的效率較低，且電路元件眾多，控制復(fù)雜[8-10]。此外，所謂的二次Buck 變換器是在傳統(tǒng)Buck 電路的輸入側(cè)加入一級(jí)低側(cè)開關(guān)型降壓?jiǎn)卧?，從而?shí)現(xiàn)較大的降壓比，但是主控開關(guān)的電壓應(yīng)力高[11-13]。文獻(xiàn)[14-15]研究了基于耦合電感的Buck 變換器，通過引入匝比這個(gè)變量來改變電壓增益以實(shí)現(xiàn)較大的降壓比，然而主控開關(guān)的電壓應(yīng)力為輸入電壓與部分線圈感應(yīng)電壓之和，加上漏感所致尖峰電壓的存在，應(yīng)力依舊較高。為了吸收漏感導(dǎo)致的尖峰電壓，文獻(xiàn)[16]研究了基于耦合電感的二次Buck變換器，其中的低側(cè)開關(guān)型降壓?jiǎn)卧瑫r(shí)起到無損鉗位的作用，但是主控開關(guān)電壓應(yīng)力大的問題依然存在。文獻(xiàn)[17-18]探討了基于開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)的Buck變換器，這種變換器同樣具有較大的降壓比，但主控開關(guān)的電壓應(yīng)力也較高。基于開關(guān)電容單元的DC-DC 變換器具有較大的降壓比，但是隨著單元數(shù)目的增加，器件數(shù)量和電路復(fù)雜度都隨之增加，且該變換器通常應(yīng)用于小功率或微功率場(chǎng)合[19-20]。

額定耐壓越高的功率開關(guān)器件通常具有更大的通態(tài)電阻或通態(tài)壓降、更嚴(yán)重的反向恢復(fù)。本文研究一種具有大降壓比、低開關(guān)電壓應(yīng)力的DC-DC變換器，將低側(cè)開關(guān)型Buck 電路與開關(guān)電感型Buck 電路的特性相結(jié)合，從而獲得極大的降壓比。同時(shí)，對(duì)二者結(jié)合后的電路做相應(yīng)改進(jìn)，添加一套低側(cè)開關(guān)型Buck 電路和一個(gè)主控開關(guān)，以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。另外，輸入側(cè)電感的存在使得輸入電流得以連續(xù)，降低了對(duì)輸入濾波電容值的要求。

2 電路結(jié)構(gòu)與工作模態(tài)

基于低側(cè)開關(guān)型降壓?jiǎn)卧烷_關(guān)電感型降壓?jiǎn)卧男滦痛蠼祲罕菵C-DC 變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，同時(shí)分別給出了拓?fù)湟饬x下兩者的結(jié)構(gòu)，以便理解本文所探討的DC-DC 變換器的拓?fù)溲葑冞^程。D1、D2、L1、C1組成一組低側(cè)開關(guān)降壓?jiǎn)卧?；D3、D4、L2、C2組成另一組低側(cè)開關(guān)降壓?jiǎn)卧?。S1、S2為兩個(gè)主控開關(guān)，D5、D6為寄生體二極管。開關(guān)電感型降壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)t由D7、D8、L3、L4組成，其中兩個(gè)二極管在空間交叉，并無電氣連接。在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，開關(guān)器件組S1、S2、D2、D3以一定的頻率和占空比進(jìn)行工作；開關(guān)器件組D1、D4、7D、8D則以互補(bǔ)的形式進(jìn)行工作，完成一個(gè)開關(guān)周期的功率變換。兩個(gè)低側(cè)開關(guān)型降壓?jiǎn)卧葘⑤斎腚妷篤IN降壓成電容電壓VC1、VC2，兩個(gè)電容串聯(lián)后作為后級(jí)的輸入電壓源，接著由開關(guān)電感型降壓?jiǎn)卧M(jìn)一步降壓。

圖1 新型DC-DC 變換器的拓?fù)?/p>

在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，該新型DC-DC 變換器的兩種工作模態(tài)如圖2 所示。當(dāng)1S、S2導(dǎo)通時(shí)，2D、3D也導(dǎo)通，1D、4D、7D、8D由于承受反向電壓均關(guān)斷。1L、2L、3L、4L兩端承受正向電壓，因此它們的電流均線性上升，此時(shí)變化器狀態(tài)如圖2a 所示。占空比階段結(jié)束后，1S、S2、2D、3D均關(guān)斷，由于電感續(xù)流的本質(zhì)需求，1D、4D、7D、8D開始導(dǎo)通。1L、2L、3L、4L由于承受反向電壓，它們的電流均開始線性下降。1L、2L中儲(chǔ)存的能量分別轉(zhuǎn)移到1C、C2。3L、4L也由之前的串聯(lián)變?yōu)椴⒙?lián)，同時(shí)將儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載。

圖2 新型DC-DC 變換器的工作模態(tài)

3 穩(wěn)態(tài)分析

對(duì)變換器的穩(wěn)態(tài)工作情況進(jìn)行分析有助于了解其本質(zhì)和外特性，對(duì)后續(xù)的實(shí)際電路設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義。同樣假設(shè)電感電流處于連續(xù)狀態(tài)，基于轉(zhuǎn)換器工作在電感電流連續(xù)模式的假設(shè)，該新型DC-DC 變換器的主要電量波形如圖3 所示。vGS1、iS1分別為S1、S2的門極驅(qū)動(dòng)脈沖和電流波形；vL1、iL1分別為L(zhǎng)1、L2的電壓、電流波形；vL3、iL3分別為L(zhǎng)3、L4的電壓、電流波形。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)C1、C2電壓相同，因此都用VC表示。另外，D為穩(wěn)態(tài)時(shí)的占空比，T為開關(guān)周期?？紤]到L1、L2的工況一致，L3、L4的工況一致，因此只需要根據(jù)L1、L3的伏秒平衡關(guān)系來推導(dǎo)變換器的相關(guān)特性。L1、L3的伏秒平衡方程分別如式(1)、(2)所示，其中VIN、VOUT分別為輸入電壓和輸出電壓。以CV作為中間變量對(duì)式(1)、(2)進(jìn)行整理可得變換器的增益M如式(3)所示

圖3 主要電量的穩(wěn)態(tài)波形

針對(duì)一定的負(fù)載電流IOUT，當(dāng)電感L3、L4處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，記此時(shí)電感L3、L4的電流為IOC。存在ΔiL3的一半與臨界電流IOC相等，根據(jù)式(5)可以推導(dǎo)出保持電感L3電流不斷續(xù)的感量如式(6)所示。假設(shè)變換效率為100%，根據(jù)功率守恒，推導(dǎo)出電感L1、L2的電流平均值與電感L3、L4電流平均值的關(guān)系如式(7)所示。最后，將式(7)代入式(6)得到電感L1電流保持不斷續(xù)的條件如式(8)所示。

為直觀比較該新型DC-DC 變換器的電壓增益與其他三種Buck 變換器的電壓增益，繪制了如圖4所示的增益曲線對(duì)比。對(duì)于耦合電感二次Buck 變換器和開關(guān)電容變換器而言，其電壓增益和開關(guān)應(yīng)力受到諸如匝比、電容單元數(shù)量等實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)影響，不便于直接進(jìn)行比較。圖4 中的增益曲線從上至下依次屬于經(jīng)典Buck 變換器、開關(guān)電感Buck 變換器、二次Buck 變換器和新型大降壓比DC-DC 變換器，前三種Buck 變換器的電壓增益M1、M2、M3分別如式(9)、(10)、(11)所示。在這四種Buck 變換器中，在相同占空比情況下，新型DC-DC 變換器具有最強(qiáng)的降壓能力。當(dāng)占空比同為0.5～0.8 時(shí)，新型DC-DC 變換器的降壓比優(yōu)勢(shì)較為明顯，而當(dāng)占空比接近0 或者1 時(shí)，優(yōu)勢(shì)逐漸減小。

圖4 新型DC-DC 變換器與其他Buck 型轉(zhuǎn)換器的電壓增益對(duì)比

由于采用了兩套低側(cè)開關(guān)型降壓?jiǎn)卧蛢蓚€(gè)主控開關(guān)，因此本文探討的新型DC-DC 變換器具有較低的開關(guān)器件電壓應(yīng)力。表1 給出了變換器電路中主要器件的電壓應(yīng)力情況，并以輸入電壓為基底進(jìn)行歸一化處理。

表1 主要器件的電壓應(yīng)力

以主控開關(guān)為例，表2 對(duì)比了相同工況下，前文提到的四種Buck 變換器中主控開關(guān)的電壓應(yīng)力情況。假定工況如下：輸入電壓VIN為450 V，占空比D為0.5。從對(duì)比結(jié)果可以得出結(jié)論，新型DC-DC變換器在降壓能力和主控開關(guān)電壓應(yīng)力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 主控開關(guān)電壓應(yīng)力比較

表3 給出了四種Buck 變換器功率元件數(shù)量的對(duì)比結(jié)果。盡管新型DC-DC 變換器具有最多的元件數(shù)量，但是多數(shù)元件的額定耐壓都大幅降低，從而具有更好的電氣特性和更低的成本。另外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和小型化器件的不斷發(fā)展，更高功率密度的開關(guān)器件和更小尺寸的無源器件得到越來越多的應(yīng)用。因此，較多的元件數(shù)量并不會(huì)對(duì)新型DC-DC 變換器的功率密度和成本帶來顯著的影響。

表3 四種Buck 變換器功率元件數(shù)量對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，首先在軟件工具SIMPLIS 中建立新型DC-DC 變換器的電路模型，對(duì)24 V 額定電壓，容量為30 A·h 的電池組進(jìn)行充電，主要參數(shù)如表4 所示。電感3L、4L的電流紋波系數(shù)取值25%。電容1C和C3的最小值分別如式(12)和式(13)所示[21-22]。ΔVC1和ΔVC3分別為電容電壓紋波峰峰值，取各自穩(wěn)態(tài)值的2%。轉(zhuǎn)換器的占空比為0.4。

表4 主要仿真參數(shù)

圖5 給出了新型DC-DC 變換器仿真試驗(yàn)中的主要波形，從上至下依次為電感3L的電流波形、電感1L的電流波形、輸出充電電流波形、主控開關(guān)1S電流波形和電容1C電壓波形。將各個(gè)波形的穩(wěn)態(tài)值與表3 的相關(guān)參數(shù)代入前文的計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果完全吻合。仿真試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和有效性。

基于一臺(tái)功率為500 W 的電池充電器樣機(jī)，對(duì)新型DC-DC 變換器進(jìn)行了硬件試驗(yàn)和相關(guān)測(cè)試。開關(guān)頻率為50 kHz，輸入電壓為450 V，輸出電壓為 24 V。主控開關(guān)S1、S2采用 ST 公司的STB50N65DM6，該器件基于快恢復(fù)體二極管工藝，能夠有效減少反向恢復(fù)時(shí)間和損耗。二極管D1、D2、D3、D4選擇ST 公司的STPSC4H065 碳化硅二極管。二極管D7、D8選取ST 公司的STPS40M120C 肖特基二極管。圖6 給出了變換器軟起動(dòng)的過程，數(shù)字控制芯片檢測(cè)到輸入電壓存在一段時(shí)間后開始執(zhí)行軟啟動(dòng)程序。圖7 給出了部分試驗(yàn)波形，從上到下依次為交流耦合下的輸出電壓紋波，主控開關(guān)1S的門極驅(qū)動(dòng)以及電感3L的電流。硬件樣機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定工作進(jìn)一步驗(yàn)證了前文理論分析與仿真試驗(yàn)的正確性。

圖6 變換器軟起動(dòng)過程

圖7 輸出電壓紋波、S1 驅(qū)動(dòng)、L3 電流

初步測(cè)試了試驗(yàn)樣機(jī)在25%負(fù)載、50%負(fù)載、75%負(fù)載和100%負(fù)載下的效率，并繪制成曲線如圖8 所示。峰值效率出現(xiàn)在75%負(fù)載左右，約為94.1%。由于損耗分析、器件優(yōu)化選型和電路板優(yōu)化布局等工作尚未開展，因此目前變換器的效率相對(duì)不高。

圖8 新型DC-DC 變換器的效率曲線

5 結(jié)論

(1) 提出并分析了一種具有大降壓比和低開關(guān)電壓應(yīng)力的新型DC-DC 變換器。在電感電流連續(xù)的情況下，進(jìn)行了變換器工作模態(tài)與穩(wěn)態(tài)特征的理論分析。

(2) 通過軟件工具SIMPLIS 對(duì)理論分析進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果與推導(dǎo)結(jié)果完全吻合。

(3) 設(shè)計(jì)和調(diào)試了功率為500 W，峰值效率為94.1%的硬件樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明該新型DC-DC 變換器具有降壓比大、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低、輸入電流連續(xù)以及變換效率較高的特點(diǎn)。

(4) 由于本文的主要工作在于驗(yàn)證電路原理和可行性，尚未對(duì)變換器進(jìn)行各方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此變換效率相對(duì)不高。未來的主要工作將集中在器件優(yōu)化選型、電路板優(yōu)化布局等方面，以期得到更高的效率。