研究与设计 Research and Design 一种交错并联反激式三电平 DC-DC 变换器 an Interleaved Flyback Three-level DC-DC Converter 项泽宇, 李磊, 胥佳梅南京理工大学自动化学院 ( 南京,210094) Xiang Zeyu, L

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1 一种交错并联反激式三电平 DC-DC 变换器 an Inerleaved Flyback hree-level DC-DC Cnverer 项泽宇, 李磊, 胥佳梅南京理工大学自动化学院 ( 南京,10094) Xiang Zeyu, Li Lei, Xu Jiamei Depearmen f Aumain,N (Nanjing, 10094) 摘要 : 本文在传统反激变换器基础上, 引入三电平技术, 并针对传统反激三电平 DC-DC 变换器电源两端并联的分压电容不均压的问题, 提出了一种交错并联反激式三电平 DC-DC 变换器 该变换器具有电路拓扑简洁, 输出只需电容滤波, 减小输出滤波器, 提高了变换器功率密度等优点 深入分析了该变换器的工作原理及工作过程, 推导了其输入输出关系, 和传统的反激两电平变换器相比, 可以得出该并联交错三电平反激变换器能减小输出电容, 降低功率开关管电压应力等结论 最后设计了闭环控制策略, 并基于 saber 对电路进行仿真, 验证了该拓扑的正确性和输出电容小 功率开关管电压应力低等特点 关键词 : 直直变换器反激式三电平 saber Absrac: his paper, based n he radiinal flyback cnverer, inrduces hree-level echnlgy, and prpses a Inerleaved flyback hree-level DC-DC cnverer slve he capacir vlage divider uneven pressure prblems f radiinal hree-level flyback DC-DC pwer cnverer. he cnverer has he advanages f simple plgy, jus capacir filer upu, reducing he upu filer, imprves he cnverer pwer densiy, ec. his paper deeply analyzes he wrking principle and he wrk prcess f he cnverer, derive he relainship beween is inpu and upu. Cmpared he radiinal w-level flyback cnverer, he Inerleaved flyback hree-level DC- DC cnverer can reduce he upu capaciance, reduce he pwer swich vlage sress. Finally design he clsed-lp cnrl sraeg, and simulae circui in saber. Verify he crrecness f he plgy and upu capaciance, pwer swiches and lw vlage sress. Keywrds: Cnverer, Flayback-mde, hree-level, aber [ 中图分类号 N86 [ 文献标识码 A 文章编号 : (014) 引言 DC-DC 变换器经过几十年的发展, 已经广泛应用于开关 电源等许多领域 但是, 随着高电压 大功率技术的迅速发展, 许多应用中的 DC-DC 直变换器会出现功率开关管耐压不够等问题 [7 由于三电平直流变换器可以降低开关管的电压应力, 在高电压 大功率场合有比较好的前景, 近年来逐渐引起电力电子技术研究人员的重视 [7 反激式 DC-DC 变换器由于具有高可靠性 拓扑简洁 输入输出隔离 能高效提供多路输 [1 ~ 出等优点,6, 在应用中有比较大的优势 在其拓扑中引入三电平技术, 可以使反激变换器能应用于更高电压和功率的场合 [4 基于此, 本文提出了一种交错并联反激三电平直流变 换器 (Inerleaved hree-level Flayback Cnverer), 相对传统两电平直流变换器, 能在变压器两端得到三电平电压波形, 从而减小输出滤波电容, 减小变换器体积, 提高功率密度 同时, 该变换器还可以降低开关管的电压应力, 使得其能应用于更大功率的场合 本文主要就提出的交错并联反激三电平 DC-DC 变换器的工作原理作具体阐述, 推导其在电流连续和断续模式下的输入 输出关系, 并与两电平变换器进行比较, 最后基于 saber 对其电路进行仿真验证 电路结构及工作原理 交错并联反激式三电平 DC-DC 变换器电路结构, 如图 1 电源世界 014/0 1

2 所示 该变换器由输入电源 输入滤波器 三电平变换器 变压器 输出周波变换器 输出滤波器及输出负载组成, 电路结构简单 其中三电平变换器由 4 个开关单元及 个二极管组成, 能将输入电压转变为 种电平 该电路解决了传统三电平中存在的 个分压电容电压不均衡的问题, 通过对 和 C 的轮流充放电保证其电压均衡 通过对开关管的控制, 可以在变压器副边获得 - -/ 等 种幅值的电平, 因此称为三电平 DC-DC 变换器 交错并联反激三电平 DC-DC 变换器具有拓扑简洁 输入电容均压 开关管应力低等优点 Vin D 1 D Vin / N 1 C V1 -Vu /n N C 图 反激变换器电路主要波形 图 1 交错并联反激三电平 DC-DC 变换器电路结构在一个开关周期内, 变换器有 6 种开关模式, 功率开关管原理波形如图 所示 下面就开关管的 6 种开关模式详细阐述 (1) 开关模式 A( ~ 1 )[ 图 时刻, 开关管 和 开通, 其余开关管关断, 原边电流 i N1 经 流通, 变压器储存能量, 变压器副边由于二极管 的阻断作用处于断开状态, 电容 给负载续流 变压器原边侧绕组电压 N1 N i, 副边绕组电压 N - i / N 1 磁通 Φ 增加 : ΔΦ 1 D 1 s in / N 1 (1) 其中 :D 1 s D s / () 开关模式 B( 1 ~ )[ 图 1 时刻, 开关管 关断, 保持开通, 原边电流 i N1 经 流通, 变压器继续储能, 副边电容 继续续流 变压器原边侧绕组电压 N1 N i /, 副边绕组电压 N - i / N 1 磁通 Φ 继续增加 : ΔΦ D s in / 4N 1 () () 开关模式 C( ~ )[ 图 时刻, 开关管 关断, 导通, 原边电流 i N1 0, 副边电流 i N 经负载 开关管 流通, 为负载提供电能, 同时为电容 充电 此时, 变压器原边侧绕组电压 N1 N -N 1 /, 副边绕组电压 N 磁通 Φ 减小 : ΔΦ (1 - D) s / () (4) 开关模式 D( ~ 4 ) 时刻, 开关管 开通, 工作过程与开关模式 A 相同, 只是变压器原边绕组换成 工作, 在此不作赘述 在 (5) 开关模式 E( 4 ~ 5 ) 1 C D D N 1 N 6 C C C D D N 1 D D N 1 D 1 D N 1 (d) 图 反激变换器各个开关模式等效电路原边电流经 C 流通 这样, 在一个周期中分压 he Wrld f Pwer upply Mar 014

3 电容 C 轮流充电, 使其能均压工作, 不会因为一直给其中一个电容充电而使得原边均压失败 图 (d) 为反激三电平变换器工作在电流断续模式时, 多于连续模式的一个工作模态 变压器能量释放完时, 下一个工作周期还没有到来, 这时候副边电容 给负载续流 由式 (1) () () 及磁通平衡原则, 可得输入输出关系 : 工作模式分析 ND 4 N (1 D) 1 in (4) 交错并联反激三电平直流变换器, 可工作在电流连续模式 (CCM 模式 ) 电流断续模式(DCM 模式 ) 临界电流连续模式 ( 临界 CCM 模式 ), 如图 4 所示 il1.1 电流连续模式设 i L1 表示原边电感电流,i L 表示副边电感电流, 电流断续模式表示副边电流 i L 在 关断期间已下降到零, 如图 4 则在一个周期内, 原边电感电流的表达式为 [1 : il1 in. / L1 ; [0, D 1 s il1 in. / L1 ; [ D1 s, Ds (5) il1 0; [ Ds, s 则在一个开关周期内输入变换器的能量为 J in : s D1 s s in D in Jin inil1d d+ d L D 1 s 1 4L1 7in Ds L 1 该变换器在一个开关周期内向负载输送能量 J u 为 : s u in d s (6) J J i i (7) il 0 D 1 s Ds il1 il 0 D 1 s Ds i L 1 il s s s i 分别为输出电压和输出电流在一个周期内的平均值 假定电路无内耗, 可认为在开关管断开时储存在电感中的能量完全转化为输出能量, 根据能量守恒定律, 则对每一个开关周期有下式成立 : J u J in (8) 即 : 7in Ds (9) IL 式 (9) 表明, 变换器工作于电流断续模式时, 输出电压与负载有关, 负载减轻时, 输出电压升高 原边电感电流峰值为 : I 1 D in s L1(p) (10) 4L1 副边电感电流峰值为 : I Lp I L1p / n (11). 电流断续模式电流连续模式表示副边电感电流 i L 在开关 关断期间没有下降到零, 如图 4 所示 则在一个周期内, 电路输入输出关系如式 (4), 输出电压的大小与负载无关 设反激变换器输出功率为 P, 变换效率为 η, 则输入电流平均值为 : I P L1 (1) inη 0 D 1 s D s s 图 4 DCM 模式时初级 次级绕组电感电流 ; 临界 CCM 模式时初级 次级绕组电感电流 ; CCM 模式时初级 次级绕组电感电流 输入电流峰值为 : I np n (1 D) + D in L1p s s η(1 D) L 4L1 (1). 电流临界连续模式电流临界连续模式电流如图 4 所示, 这种模式下, 输 电源世界 014/0

4 入输出电流同时满足式 (4) 和式 (6), 即 : 7 i s 4N1 7 in n Ig I (1 D) D (14) L L 其中,I g 为临界连续电感电流 1 s 1 0 CCM 模式下变换器输出电压与输出电流的大小无关, 变 换器外特性类似电压源特性, 且对于负载的变化只需较小的脉宽变化就能维持输出电压 的恒定 而 DCM 模式变换器存在很高的非线性内阻, 变换器外特性类似电流源特性, 由负载变化引起的占空比调节范围很大, 使调节困难 因此, DCM 模式一般用于负载变化小且输出功率小的场合 [1 因此, 本文所设计交错并联反激三电平变换器工作在 CCM 模式 I g I (min), 最小输出电流为临界连续电流, 电感量为 : 7in n 7i n L1 (15) I P s (min) s (min) 40.0 (s) 4 控制回路设计 为了保证输出电压恒定, 交错并联反激三电平直流变换器采用电压闭环反馈控制, 通过采样输出电压瞬时值反馈来控制开关管的占空比 [ 控制电路如图 5 所示, 其中锯齿波 w 周期为 0μs, w1 周期为 10μs (s) D D N 1 C 1 Z 1 Z 分相器 与门 分相器 非门 w1 w r 5 仿真结果 图 5 控制原理框图 为了验证所提出的交错并联反激三电平直流变换器的正确性, 对其进行基于 saber 软件仿真分析 其主要参数如下 : 输入电压为 70V DC, 输出电压为 180V DC, 额定输出电流为 6A, 额定功率 1080W, 开关频率为 50kHz, 变压器匝比 N 1 : : 1:1:1, 变压器磁化电感 L 1 L L 150u, 输出滤波电容 10μF, 所有开关管占空比小于 0.5, 输出阻性负载 0Ω 仿真波形如图 6 所示 从图 6 可以看出, 输出电压为 V, 纹波电压仅为 0.45V; 图 6 可以看出, 电路工作在电感电流连续模式 (CCM 模式 ); 图 6 图 (d) 可以看出, 变压器原边和副边绕组两端均能获得三电平电压波形 仿真试验结果显示, 该 DC-DC 变换器具有以下优点 : (s) (s) (d) 图 6 仿真波形 : 输出电压波形和电压纹波值 ; 变压器原边电流和副边电流 ; 变压器原边两端电压 ;(d) 变压器副边两端电压 4 he Wrld f Pwer upply Mar 014

5 图 6 输出电压波形质量好, 纹波小, 仅为输出电压的 0.5%, 且工作效率高, 在理想环境下可达到 95% 以上 ; 图 6 与传统的反激两电平直流变换器相比, 该三电平变换器在变压器两端得到三电平电压波形, 减小了输出滤波电容, 同时降低了开关管的电压应力, 能够适用于更大功率 更高电压的场合, 拓宽了反激变换器的应用领域 ; 图 6 仿真结果表明, 该电路易于实现, 与正激 半桥 全桥等三电平直流变换器相比, 其器件更少, 开关管的损耗更低, 输出只需电容滤波, 减小了输出滤波器体积 ; 且输出电压稳定, 能实现功率的双向流动 6 结论 本文研究了一种交错并联反激三电平 DC-DC 变换器, 对其电路拓扑 工作原理进行了分析, 推导了其工作过程及输入输出关系, 并基于 saber 搭建电路进行了闭环仿真 仿真结果显示, 该电路在变压器两端能获得三电平电压波形, 减小了输出滤波器, 在两电平反激变换器输入 / 输出相同的情况下, 三电平桥臂的开关管承受的电压应力更小 对于拓宽反激变换器的应用场合, 有良好的前景 参考文献 [1 胡江毅. 反激变换器的应用研究 [D. 南京航空航天大学, 00. [ 王红梅, 成晓燕, 马海啸等. 新型交错并联反激变换器的研究 [J. 电力电子技术,006, 40(): [ 梁小国, 危建, 阮新波等. 一种新颖的交错并联正激三电平变换器 [J. 中国电机工程学报,004, 4(11): [4 赵勤. 反激式交 - 交型三电平 AC/AC 变换器的研究 [D. 南京理工大学,010. [5 薛雅丽. Buck 三电平直流变换器的研究 [D. 南京航空航天大学,00. [6 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计 [M. 电子工业出版社,006. [7 阮新波. 三电平直流变换器及其软开关技术 [M. 科学出版社,006. [8 uan Xinb,Li Bin,Chen Qianhng. hree-level cnverers--a new cncep in high vlage dc--dc cnversin. IEEE PEC, 000. 作者简介项泽宇 (1990- ), 男, 汉, 贵州遵义人, 硕士研究生, 研究方向为电力电子技术在电力系统中的运用 李磊 (1975- ), 男, 汉, 山东济宁人, 博士, 副教授, 研究方向为功率电子变换技术 胥佳梅 (1990- ), 女, 汉, 江苏盐城人, 硕士研究生, 研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用 90 亿充电市场遇阻电动汽车规模太小 在电动汽车充换电站和充电桩的建设过程中, 国家电网公司走在前面 截至 01 年, 国家电网已经累计建成 400 座充换电站, 以及 1.9 万台充电桩 不过, 这与国家电网在五年前提出的发展规划并不相符 009 年底, 国家电网曾披露已制定并实施电动汽车推广计划, 计划分三个阶段大力建设充电站和充电桩 其中, 第一阶段,009 ~ 010 年期间在 7 个网省公司建设 75 座充电站和 609 个充电桩, 初步建成电动汽车充电设施网络架构 ; 第二阶段,011 ~ 015 年, 建设电动汽车充电设施, 使电动汽车充电站规模达到 4000 座, 同步大力推广建设充电桩, 初步形成电动汽车充电网络, 开展电动汽车充放电站技术研究和工程试点建设 在 016 ~ 00 年的第三阶段, 国家电网更是计划建设电动汽车充电站达到 座, 同步全面开展充电桩配套建设, 建成完整的电动汽车充电网络, 建设电动汽车充放电设施, 初步建成电动汽车充放电网络 然而, 由于电动汽车的发展远没有规划的那么好, 并没有形成规模, 以至于早已建成的部分充电设施出现 闲置 问题 因此, 电动汽车发展缓慢成为充电站以及充电桩规划下调的重要因素 国家电网公司一位人士介绍, 国家电网一直积极落实节能减排政策, 推动电动汽车的发展, 不过电动汽车与充换电站的关系就像汽车与高速公路的关系, 确实有一个 谁先谁后 的两难问题, 现在是不知道 车 在哪儿, 所以充电站和充电桩的建设就面临很大困难 电源世界 014/0 5

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