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1 2009 年 9 月电工技术学报 Vol.24 No. 9 第 24 卷第 9 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep 隔离型三绕组耦合电感交错式 DC/DC 变换器 李武华 1 何湘宁 1 吴剑勇 2 (1. 浙江大学电气工程学院杭州 中国人民解放军空军装备部北京 ) 摘要 讨论了四种隔离型交错式 DC/DC 变换器结构的特点, 并在交错式 Flyback 变换器的 基础上, 引入三绕组耦合电感概念, 实现了 Flyback 型变换器到 Boost 型或 Buck 型变换器的转 换 然后, 在三绕组耦合电感演绎出的一次侧并联 / 二次侧串联 Flyback-Boost 变换器上, 采用 有源钳位软开关电路, 不仅实现了主开关管和辅助开关管的零电压软开关特性, 而且只需要一 组钳位软开关电路就无损地吸收了两相交错电路的漏感能量 抑制了主开关管的关断电压尖峰 三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率, 有效地抑制了二极管的反向恢 复电流 最后, 设计了一台 40V 输入 760V 输出 1kW 的三绕组耦合电感实现的一次侧并联 / 二 次侧串联交错式有源钳位软开关 Flyback-Boost 变换器的试验样机 实验结果验证了理论分析的 正确性 关键词 : 交错式结构三绕组耦合电感有源钳位零电压软开关 中图分类号 : TM46 Isolated Interleaved DC/DC Converters With Winding-Cross- Coupled Inductors Li Wuhua 1 He Xiangning 1 Wu Jianyong 2 (1. Zhejiang University Hangzhou China 2. Equipment Department of China PLA Air Abstract Force Beijing China) Four main types of isolated interleaved structures are discussed in this paper. Then, a series of Boost or Buck type converters are derived from the conventional interleaved Flyback converter by employing winding-cross-coupled inductors (WCCIs) and interleaved structure. Furthermore, a ZVT interleaved Flyback-Boost converter with WCCIs, active clamp circuit and primary-parallel-secondary-series (PPSS) structure is analyzed as an example to explore the circuit performance. ZVT performance is realized for both the main and the clamp switches during the whole switching transition. Only one set of active clamp circuit is necessary to recycle the leakage energy and to suppress the turn-off voltage spikes. The output diode reverse-recovery problem is alleviated by the leakage inductance. A prototype with 40V-to-760V rated at 1kW has been built to verify the effectiveness of the converters. Keywords:Interleaved structure, winding-cross-coupled inductors, active clamp, ZVT 国家教育部博士点基金 ( ) 国家自然科学基金 ( ) 和博士后科学基金 ( ) 资助项目 收稿日期 改稿日期

2 100 电工技术学报 2009 年 9 月 1 引言在 DC/DC 变换器中, 一般可用交错并联技术来提高变换器的功率容量 [1-4] 采用交错并联技术, 既可实现变换器的功率扩容, 又可减小输入 输出电流纹波, 还可提高变换器的动态响应, 减小电路中磁性元件的体积 在隔离型变换器中, 由于变压器的电气隔离特性, 交错式结构的一 二次侧在组合上有一定的自由度, 主要可分为四种方式 : 一次侧并联 / 二次侧并联的交错式结构 ( PPSP), 一次侧并联 / 二次侧串联的交错式结构 ( PPSS), 一次侧串联 / 二次侧并联的交错式结构 ( PSSP) 和一次侧串联 / 二次侧串联的交错式结构 ( PSSS) 这四种结构适用于不同的应用场合 [5-7] 在隔离型变换器中, Flyback 变换器因其电路结构简单而被广泛地应用于小功率 隔离式 多组输出的 DC/DC 变换场合 但是 Flyback 变换器的变压器本质上是个耦合电感, 漏感较大, 会导致较大的关断电压尖峰 同时, Flyback 变换器的输入 输出电流均为断续模式, 电流纹波较大, 增加了对输入 输出电容的冲击 [8-9] 本文在交错式 Flyback 变换器的基础上, 通过引入三绕组耦合电感概念, 实现了从 Flyback 型变换器到 Boost 型或 Buck 型变换器的转变 以采用 PPSS 结构的 Flyback-Boost 变换器为例, 讨论了变换器的软开关实现方案 在采用 PPSS 结构的 Flyback-Boost 变换器上采用由辅助开关管和电容组成的有源钳位软开关电路后, 不仅实现了主开关管和辅助开关管的零电压开通和零电压关断, 而且只需要一组钳位电路就实现了两相交错电路的漏感能量的无损吸收和开关管关断电压尖峰的有效抑制, 既简化了电路, 又提高了系统的功率密度 三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率, 抑制了二极管的反向恢复电流, 减小了反向恢复电流引起的相关损耗 2 隔离型交错式结构四种主要隔离型交错式结构如图 1 所示 其中, PPSP 结构的输入 输出的电流纹波均较小, 适用于系统功率扩容 ; PPSS 结构具有倍压升压功能, 输出二极管的电压应力较低, 主要用于低压输入 高压输出的高增益变换场合 ; PSSP 结构具有倍压降 压功能, 适用于高压输入 低压输出的高降压变换场合, 而 PSSS 结构的一 二次侧的电压应力均较低, 适用于高压变换场合 (a) 一次侧并联 二次侧并联 ( PPSP) 交错式结构 (b) 一次侧并联 二次侧串联 ( PPSS) 交错式结构 (c) 一次侧串联 二次侧并联 ( PSSP) 交错式结构 (d) 一次侧串联 二次侧串联 ( PSSS) 交错式结构图 1 四种隔离型变换器的交错式结构 Fig.1 Four types of isolated interleaved structures 3 隔离型三绕组耦合电感变换器的推导在隔离型 DC/DC 变换器中, Flyback 变换器的结构最简单, 控制也方便, 而被广泛地应用于小功率 多路输出的变换场合 本节在 Flyback 变换器的基础上, 采用上节总结的四种交错式结构, 并引入三绕组耦合电感概念, 实现了一系列隔离型交错式 DC/DC 变换器拓扑 图 2 为 Flyback 变换器演绎出的 Flyback- Boost 变换器的概念图 去掉图 2 所示的虚框部分, 则电路为采用 PPSP 结构的 Flyback 变换器 新型变换器是在 Flyback 变换器的耦合电感的二次侧和输出二极管之间引入一个 NV in 的直流电压源 在图 2 所示的电路中, 当开关管导通时, 耦合电感的励磁电感电流在输入电压 V in 的作用下线性

3 第 24 卷第 9 期李武华等隔离型三绕组耦合电感交错式 DC/DC 变换器 101 上升 当开关管关断时, 耦合电感的励磁电感电流线性下降, 励磁电感的放电电压为 Vout VDischaring Vin (1) N 图 2 交错并联 Flyback-Boost 变换器的概念图 Fig.2 Conceptual circuit of interleaved Flyback-Boost converter 开关管的电压应力为 Vout Vs_flyback-boost (2) N 根据励磁电感的伏 - 秒平衡可知, 新型变换器的电压增益为 N M flyback-boost (3) 1 D 由式 (3) 可知, 该新型拓扑具有 Boost 型变换器特性, 又是从 Flyback 变换器演绎而来, 因此命名该变换器为采用 PPSP 结构的 Flyback- Boost 变换器 在相同的耦合电感匝比 N 和占空比 D 下, 采用 PPSP 结构的 Flyback-Boost 变换器比采用 PPSP 结构的 Flyback 变换器具有更高的电压增益和更小的开关管电压应力 由电路原理可知, 耦合电感的一次侧绕组在交流激励下, 二次侧绕组的输出具有电压源特性, 在交错并联 Flyback 变换器的基础上, 通过增加耦合电感第三绕组的方式可以实现如图 2 所示的 NV in 直流电压源特性 隔离型 PPSP 结构的 Flyback-Boost 变换器的电路原理如图 3 所示 在该变换器中, 共有两组耦合电感, 分别为 L 1 和 L 2 每个耦合电感有三个绕组 其中, L 1a L 1b 和 L 1c 为一组耦合电感, L 2a L 2b 和 L 2c 为另一组耦合电感,L 1b L 1c L 2b 和 L 2c 的匝数均为 n 2,L 1a 和 L 2a 的匝数为 n 1 同名端如图 3 图 3 PPSP 结构的三绕组耦合电感 Flyback-Boost 变换器 Fig.3 Flyback-Boost converter with WCCIs and PPSP 中 和 * 标号所示 耦合电感的第三绕组连接在另外一个耦合电感的第二绕组和输出二极管之间, 实现了图 2 所示的 NV in 直流电压源功能 与大多数隔离型交错式 Boost 变换器类似, 该变换器必须工作在占空比大于 0.5 的状态, 以确保第三绕组直流电压源特性的实现 三绕组耦合电感的第三绕组放在 Flyback 变换器的二次侧, 可形成 Boost 型变换器 同理, 也可放置在电路的一次侧, 形成 Buck 型变换器 采用上节介绍的四种交错式结构, 可推导出如图 4 所示的其他主要隔离型三绕组耦合电感交错式变换器拓扑 (a)ppss 结构的 Flyback-Boost 变换器 (b)psss 结构的 Flyback-Boost 变换器

4 102 电工技术学报 2009 年 9 月 表 Tab. 三绕组耦合电感实现的交错式变换器的特性比较 Comparison of interleaved converters with WCCIs 电压增益 开关管 电压应力 二极管 电压应力 PPSP 结构的 Flyback -Boost 变换器 N/(1 D) V out /N 2V out (c)ppsp 结构的 Flyback-Buck 变换器 PPSS 结构的 Flyback - Boost 变换器 2N/(1 D) V out /N V out PSSS 结构的 Flyback - Boost 变换器 N/(1 D) V out /2N V out PPSP 结构的 Flyback - Buck 变换器 ND 2V in NV in PSSP 结构的 Flyback - Buck 变换器 ND/2 V in NV in (d)pssp 结构的 Flyback-Buck 变换器 PSSS 结构的 Flyback - Buck 变换器 ND V in NV in /2 4 有源钳位软开关方案 (e)psss 结构的 Flyback-Buck 变换器图 4 三绕组耦合电感实现的交错式变换器 Fig.4 Interleaved converters with WCCIs 图 4a 为采用 PPSS 结构的 Flyback-Boost 变换器, 该变换器具有倍压输出功能, 适合低压输入 高压输出的高增益变化场合 图 4b 是采用 PSSS 结构的 Flyback-Boost 变换器, 该变换器的一 二次侧的功率器件的电压应力均较低, 适用于高压输入 输出的升压场合 图 4c 为采用 PPSP 结构的 Flyback-Buck 变换器, 该变换器一 二次侧的电流纹波均较小, 适用于大电流 大功率的降压变化场合 图 4d 是采用 PSSP 结构的 Flyback-Buck 变换器, 该变换器具有倍压降压特性, 适用于高降压变换场合 图 4e 为采用 PSSS 结构的 Flyback- Buck 变换器, 该变换器适用高压输入 高压输出的降压变换场合 下表是三绕组耦合电感实现的交错式变换器的特性比较 由表可知, 变换器的电压增益 开关管的电压应力和输出二极管的电压应力不同, 因此适用的场合也不一样 一般而言, 三绕组耦合电感的耦合系数不可能等于 1, 漏感相对较大 在大电流应用场合, 三绕组耦合电感的漏感上能量较大, 在开关管关断时, 会在开关管上产生较大的电压尖峰, 因此必须有效地解决这一问题 为了实现三绕组耦合电感漏感能量的无损转移和开关管上关断电压尖峰的有效抑制, 有源钳位软开关技术是较好的方案之一 [9-10] 本节以采用 PPSS 结构的 Flyback-Boost 变换器为例, 研究变换器的有源钳位软开关实现方案和具体工作过程 图 5a 是三绕组耦合电感实现的采用 PPSS 结构的交错式有源钳位软开关 Flyback-Boost 变换器的电路原理图 有源钳位软开关电路由一个辅助开关管和一个小电容组成, 辅助管的开关频率是主开关管的两倍 变换器的工作状态与有源钳位 Flyback 变换器类似, 当负载较轻时, 变换器的励磁电感电流工作于断续模式, 随着负载的加重, 变换器逐步进入连续导电模式 ( CCM) 耦合电感的模型可以由励磁电感 理想变压器再串上漏感组成, 其等效电路如图 5b 所示 其中 L m1 L m2 为耦合电感的励磁电感 ; L Lk1 L Lk2 为耦合电感的等效漏感 ; VT 1 VT 2 为主开关管 ; C VT1 C VT2 为开关管上的并联电容 ; C c 钳位电容 ; VT c 为辅助管 ; VD o1

5 第 24 卷第 9 期李武华等隔离型三绕组耦合电感交错式 DC/DC 变换器 103 VD o2 为输出二极管 ; C o1 C o2 为输出电容 (a) 倍压输出的有源钳位软开关 Flyback-Boost 变换器 (a) 阶段 1[t 0 ~t 1 ] (b) 等效电路图图 5 PPSS 结构的交错式有源钳位软开关 Flyback- Boost 变换器及其等效电路图 Fig.5 ZVT Flyback-Boost converter with WCCIs, active clamp circuit and PPSS structure 变换器稳定工作后, 静态工作时, 在一个开关周期内共有 16 个工作阶段, 由于电路结构的对称性, 这里只分析其中 8 个阶段 电路的静态工作波形如图 6 所示 图 7 为每个阶段的等效电路图 (b) 阶段 2[t 1 ~t 2 ] (c) 阶段 3[t 2 ~t 3 ] (d) 阶段 4[t 3 ~t 4 ] Fig.6 图 6 静态主要工作波形 Key waveforms of the proposed converter (e) 阶段 5[t 4 ~t 5 ]

6 104 电工技术学报 2009 年 9 月 (f) 阶段 6[t 5 ~t 6 ] C c 转移 阶段 5 [t 4, t 5 ]:t 4 时刻前, 钳位开关管 VT c 的反并二极管处于导通状态, 流过 C c 的电流没有改变方向 t 4 时刻, 钳位开关管 VT c 零电压开通 本阶段的等效电路与阶段 4 类似 钳位电容 C c 上的电流由于 L Lk1 和 C c 的谐振而改变方向, 直接向负载传递能量 阶段 6 [t 5, t 6 ]:t 5 时刻, 辅助开关管 VT c 关断, 由于主开关管上的并联电容 C VT1 的作用,VT c 零电压关断 钳位电容 C c 退出工作, 漏感 L Lk1 和 C VT1 形成新的谐振电路 C VT1 上的能量逐渐被抽走 (g) 阶段 7[t 6 ~t 7 ] (h) 阶段 8[t 7 ~t 8 ] 图 7 变换器的各阶段等效电路图 Fig.7 Equivalent circuit for each stage of the converter 具体工作过程分析如下 : 阶段 1 [t 0, t 1 ]:t 0 时刻, 主开关管 VT 1 和 VT 2 处于导通, 辅助开关管 VT c 处于关断, 输出二极管 VD o1 和 VD o2 处于反向截止状态, 励磁电感 L m1 和 L m2 上电流在输入电压作用下线性上升 阶段 2 [t 1, t 2 ]:t 1 时刻, 主开关管 VT 1 关断, 由于开关管上外并电容 C VT1 的作用, 主开关管 VT 1 实现了零电压关断 VT 1 上的电压线性上升 阶段 3 [t 2, t 3 ]:t 2 时刻, 辅助开关管 VT c 上的电压下降到零, VT c 的体内反并二极管开始导通 励磁电感 L m1 上的电流对钳位电容 C c 充电, 主开关管 VT 1 上的电压继续增加, 由于 C c >>C VT1, 励磁电感电流可认为全部流过 C c 主开关管 VT 1 上的电压被有效钳位 阶段 4 [t 3, t 4 ]:t 3 时刻, 钳位电容 C c 上的电压上升到一定值, 使得输出二极管 VD o1 正向导通, 变换器开始向负载传递能量 漏感 L Lk1 和钳位电容 C c 开始谐振, 漏感 L Lk1 上能量开始向钳位电容 阶段 7 [t 6, t 7 ]:t 6 时刻, 主开关管 VT 1 上的电压下降到零, VT 1 的反并二极管导通 漏感 L Lk1 上电流在电压 V out /(2N) 作用下线性下降 开关管 VT 1 实现了零电压开通, 耦合电感的漏感限制了输出二极管 VD o1 关断电流的下降速率, 有效地抑制了输出二极管的反向恢复电流 阶段 8 [t 7, t 8 ]:t 7 时刻, 主开关管 VT 1 的电流下降到零并开始正向导通, 输出二极管 VD o1 上的电流随着漏感 L Lk1 上电流上升而下降 t 8 时刻, 漏感 L Lk1 上电流等于励磁电感上的电流, 输出二极管 VD o1 上的电流下降到零, VD o1 关断 输入电压对励磁电感和漏感重新充电 阶段 9~15 的工作过程与阶段 1~8 相似 由 VT c 和 C c 组成的钳位电路对主管 VT 2 进行钳位 钳位管 VT c 的开关频率是主开关管开关频率的两倍 由电路静态工作分析可知, 采用 PPSS 结构的交错式有源钳位软开关 Flyback-Boost 变换器具有如下特点 : (1) 变换器的主开关管和辅助开关管都实现了零电压软开关特性, 且仅需要一组钳位电路就实现了两相交错电路的漏感能量的吸收和开关管关断电压尖峰的抑制 (2) 三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率, 抑制了二极管的反向恢复电流, 减小了反向恢复损耗 (3) 变换器具有倍压输出功能, 适用于低压输入 高压输出的高增益变换场合 5 实验验证为了验证论文理论分析的有效性, 设计了一台

7 第 24 卷第 9 期李武华等隔离型三绕组耦合电感交错式 DC/DC 变换器 105 采用 PPSS 结构的交错式有源钳位软开关 Flyback- Boost 变换器的实验样机 实验参数如下 : 输入电压 V in : 40V; 输出电压 V out : 760V; 最大输出功率 P out : 1kW; 开关频率 f s : 50 khz; 耦合电感匝比 N : 60/22; 耦合电感的漏感 L Lk : 3.8 H; 钳位电容 C c : 2.2 F; 开关管上并联电容 C VT1,C VT2 : 2.2nF; 主开关管 VT 1 VT 2 : 两片 IRF250N 并联 ; 钳位开关管 VT c : IRF250N; 输出二极管 VD o1 VD o2 : RHRP15120 图 8 是 1kW 下的实验波形 主开关管 VT 1 和钳位开关管 VT c 的门极以及开关管上漏 - 源极电压的实验波形分别如图 8a 和图 8b 所示 由实验结果可以看出, 在整个开关周期内, 无论是主开关管还是钳位开关管都实现了零电压开通和零电压关断, 减小了功率器件的开关损耗, 提高了变换器的效率和提高了系统的功率密度 由于钳位软开关电路的作用, 主开关管上的电压尖峰被有效抑制, 三绕组耦合电感的漏感能量得到无损转移 图 8c 是变换器的一次侧电流波形 实验结果表明, 钳位电容的电流纹波频率是主开关管电流纹波频率的两倍, 说明钳位电路能够无损地吸收两组耦合电感中的漏感能量和有效抑制两个主开关管上的关断电压尖峰 图 8d 是输出二极管 VD o1 关断电流的实验波形 实验结果表明, 由于三绕组耦合电感的漏感对输出二极管关断电流的限制能力, 输出二极管的反向恢复电流很小, 相应的反向恢复损耗也较小, 进一步提高了变换器的效率 图 9 是变换器在各种负载下的测量效率 在 40V 输入 760V 输出的大升压变换场合, 变换器的最高效率为 90.6%, 满载下的效率为 89.3% 并可通过三绕组耦合电感结构的优化, 进一步提高效率 (b) 钳位开关管 VT c 的零电压软开关实验波形 (c) 一次侧电流实验波形 (d) 输出二极管 VD o1 关断电流实验波形图 8 1kW 负载下实验波形 Fig. 8 Experimental results at 1kW 6 结论在总结隔离型交错式结构及交错式 Flyback 变换器的基础上, 引入了三绕组耦合电感概念, 实现 (a) 主开关管 VT 1 的零电压软开关实验波形 图 9 1kW 负载下测量效率波形

8 106 电工技术学报 2009 年 9 月 Fig. 9 Measured efficiency 了一系列适用于升压或降压变换的大电流变换场合, 并分析了系列变换器的电压应力 电压增益等特征 通过有源钳位软开关电路的引入, 仅用一组钳位电路就有效地改善了开关管的工作环境, 提高了变换器的效率 理论分析和实验证明了论文工作的正确性, 并为隔离型交错式 DC/DC 变换器的演绎提供了一种新的思路 参考文献 [1] 姚刚, 沈雁群, 李武华, 等. 一种新型的有源交错并联 Boost 软开关电路 [J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(19): Yao Gang, Shen Yanqun, Li Wuhua, et al. A new soft switching circuit for the interleaved boost converters[j]. Proceedings of the CSEE, 2005,25(19): [2] Wong P, Xu P, Yang B, et al. Performance improvements of interleaving VRMs with coupling inductors[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2001, 16(4): [3] Liu C, Johnson A, Lai J S. A novel three-phase highpower soft-switched DC/DC converter for low-voltage fuel cell applications[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 41(6): [4] Li W, He X. An interleaved winding-coupled Boost converter with passive lossless clamp circuits[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 22(4): [5] 穆新华. 交错并联式双管正激变换器工作模式分析及系统设计 [J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(12): Mu Xinhua. Model analysis and system design of interleaving double-transistor-forward converter[j]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(12): [6] 石健将, 洪峰, 严仰光. 双管正 - 反激组合变换器研究 [J]. 电工技术学报, 2003, 18 (5): Shi Jianjiang, Hong Feng, Yan Yangguang. Study of two-transistor forward-flyback combined converter[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2003, 18 (5): [7] 石健将, 严仰光, 何湘宁. 一种具有输入端电容均压的串 - 并型双管正激组合变换器研究 [J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(12): Shi Jianjiang, Yan Yangguang, He Xiangning. A study on seriesparallel connection of dual twotransistor forward converter modules with voltage sharing between input-capacitor[j]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(12): [8] Erickson R W, Maksimovic D. Fundamentals of power electronics[j]. 2nd ed. Holland: Kluwer Academic Publishers, [9] Watson R, Lee F C, Hua G C. Utilization of an active-clamp circuit to achieve soft switching in flyback converters[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1996, 11(1): [10] Zhao Q, Lee F C. High-efficiency, high step-up DC- DC converters[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1): 作者简介 : 李武华男,1979 年生, 博士, 研究方向为高频 DC/DC 变换器 软开关技术和新能源开发与应用 何湘宁男, 1961 年生, 教授, 博士生导师, 研究方向为电力电子技术及其工业应用方面的研究和工程设计

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