輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)有源箝位電流型半橋研究

摘要：針對能饋電子負(fù)載低壓大電流輸入、高增益和輸入電流紋波小的要求，這里提出了輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(PISO)有源箝位電流型半橋電路。該電路可實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的零電壓開通，控制簡單，同時(shí)增大了輸入電流容量，減小了輸入電流紋波，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓倍壓。這里給出了在能饋電子負(fù)載應(yīng)用中變換器的變壓器匝比、漏感、次級(jí)整流方式和輸入電流恒流控制的設(shè)計(jì)方法。最后，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)1 V輸入、48 V輸出200 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路在低壓大電流輸入情況下工作穩(wěn)定，滿足能饋電子負(fù)載的要求。
關(guān)鍵詞：變換器；有源箝位；電流型半橋；能饋電子負(fù)載

1 引言
    如今，在光伏發(fā)電、UPS和能饋電子負(fù)載等很多應(yīng)用場合，由于要并網(wǎng)運(yùn)行，因此均需要將較低的直流電壓升至380 V或700 V，再通過逆變器變換為工頻交流電。高增益、高效率直流升壓變換器在這些系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，此處能饋電子負(fù)載要求輸入電壓1 V，輸出電壓48 V，滿載輸入電流200 A，滿載輸入電流紋波小于3％，很多高增益直流升壓變換器難以滿足要求，如移相全橋電路、電流型推挽電路、增加了倍壓單元的Boost電路等均存在一定缺點(diǎn)。故這里給出了PISO有源箝位電流型半橋電路，兩相交錯(cuò)并聯(lián)進(jìn)一步減小輸入電流紋波，輸出串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓倍壓，輸入電流閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)輸入恒流和兩相電路均流。設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)1 V輸入、48 V輸出200 W的樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足能饋電子負(fù)載的要求，并驗(yàn)證了該變換器的優(yōu)良性能。

2 基本原理
    圖1示出PISO有源箝位電流型半橋變換器主電路，其中VS1～VS4為主開關(guān)管，VSa1～VSa4為箝位開關(guān)管，Cc1，Cc2為箝位電容，VS1～VS4占空比的相位分別為0°，180°，90°，270°。單組有源箝位電流型半橋電路的工作原理此處不再闡述，下面主要分析該電路總的輸入輸出波形。

    該變換器的電壓增益為：
   
    式中：F=Llk／(T,R)Llk為變壓器漏感，Ts為開關(guān)周期，R為負(fù)載電阻；n為變壓器初次級(jí)匝比；D為主開關(guān)管占空比。[!--empirenews.page--]
    在此處實(shí)驗(yàn)中，變壓器初級(jí)僅有一匝，變壓器漏感可控制得很小，Llk<<TsR，F(xiàn)可以忽略，因此M可簡化為：
   
    電路輸入電流iL的波形如圖2所示。電感電流iL1的電流紋波峰峰值△iL1=UinDTs／L1。iL由4路電感電流交錯(cuò)并聯(lián)而成，且運(yùn)行時(shí)占空比在0．2～0．8之間，所以iL的紋波峰峰值△iL<0．268△iL1。iL為4路電感電流之和，增大了變換器輸入電流容量。每個(gè)電感流過總電流的1／4，且電感電流紋波大于iL紋波的3．73倍，在輸入電流有效值和紋波峰峰值一定的情況下，減小了電感的感值和電流容量，從而減小了電感的體積和損耗。

    輸出電容C1和C2串聯(lián)，使輸出電壓實(shí)現(xiàn)了倍壓，增大了變換器的升壓比，使變換器實(shí)現(xiàn)高增益變得容易。同時(shí)，整流橋二極管的電壓應(yīng)力降為Uo／2，可選擇小耐壓的二極管，相同電流容量下耐壓小的二極管在性能和價(jià)格上優(yōu)于耐壓大的二極管，可以減小電路損耗和成本。
    VS1關(guān)斷時(shí)，由于死區(qū)，VSa1還未開通，其寄生體二極管VDa1正向?qū)?，主開關(guān)管的漏源極電壓被箝位為箝位電容電壓。實(shí)際電路中，由于線路寄生電感、開關(guān)管寄生電感和電容寄生電感的存在，主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的漏源極電壓尖峰會(huì)高于箝位電容電壓，但維持在一個(gè)合理的電壓范圍內(nèi)。相比硬開關(guān)的情況，可以有效減小開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)及討論
3．1 變壓器匝比的確定
    由電壓增益公式推出，變壓器初、次級(jí)匝比為：
   
    由N計(jì)算式可知，該變壓器N值為電流型半橋的一半，可有效減小變壓器體積。輸入電壓Uin=1 V，輸出電壓Uo=48 V，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定D=0．65，代入式(3)，得N=8．4。實(shí)驗(yàn)電路中，為將變換器滿載時(shí)的D控制為合理的值，選取N=15。
3．2 變壓器漏感設(shè)計(jì)
    為獲得主開關(guān)管的零電壓開通，變壓器漏感必須足夠大才能在主開關(guān)管開通前將其漏源極間電容上的電荷抽走，使其達(dá)到零電壓，并將筘位開關(guān)管的漏源極充電至箝位電容電壓UCc1。因此：
   
    實(shí)驗(yàn)電路輸入電流很大，故Ilk_p很大，所需要的漏感很小就可滿足開關(guān)管零電壓開通。[!--empirenews.page--]
3．3 功率器件的選擇
    主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為UCc1，UCc1=nUo，主開關(guān)管的電流應(yīng)力為2iL1，箝位開關(guān)管的電流應(yīng)力為iL1。變壓器次級(jí)二極管的電壓應(yīng)力為Uo／2。設(shè)變換器效率為η，根據(jù)功率守恒：UinIinη=UoIo，由電路工作原理知，流過每只二極管的電流有效值為Io／4，故二極管電流應(yīng)力為：
   
4 變壓器次級(jí)整流方式分析
    變壓器次級(jí)通常有全波整流和橋式整流兩種整流方式，原理圖如圖3所示。

    結(jié)合該能饋電子負(fù)載系統(tǒng)的要求，選擇橋式整流，主要原因是：①變換器所需變壓器初次級(jí)匝比為1：15，由于次級(jí)匝數(shù)較多，在變壓器窗口截面積中占了很大比例，如果采用全波整流，次級(jí)的匝數(shù)會(huì)加倍，這樣將需要更大的磁芯來繞制，極大地增加了變壓器的體積；②橋式整流二極管的電壓應(yīng)力為24 V，選擇橋式整流，便可選擇更小耐壓的肖特基二極管，降低單只二極管的導(dǎo)通壓降和成本；③該實(shí)驗(yàn)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)所需的變壓器漏感很小，漏感大會(huì)引起大電壓尖峰和損耗，不帶中心抽頭的變壓器漏感可做得更小。

5 輸入電流恒流控制
    能饋電子負(fù)載要求恒流輸入，故需對變換器進(jìn)行輸入電流閉環(huán)控制。當(dāng)有源箝位電流型半橋電路兩個(gè)橋臂參數(shù)差異不大時(shí)，兩個(gè)電感電流均流性能良好，因此對于PISO有源箝位電流型半橋電路，僅需對iL12和iL34進(jìn)行電流閉環(huán)控制，使得iL12=i34=Iin／2，便可達(dá)到總輸入電流Iin的恒流控制和各個(gè)電感電流均流。
    該電路輸入電流波形與Boost電路相似，故可等效成Boost電路進(jìn)行建模，如圖4所示。

    代入實(shí)驗(yàn)電路各參數(shù)，采用PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)所需的閉環(huán)增益和相位裕量，可求出實(shí)驗(yàn)電路所需的PI參數(shù)。[!--empirenews.page--]

6 仿真結(jié)果
    為驗(yàn)證理論分析，使用Matlab進(jìn)行了電路仿真，仿真參數(shù)如下：電路輸入電壓1 V，輸出電壓48 V，輸入電流200 A，開關(guān)頻率50 kHz，電感為0．7μH，變壓器初級(jí)1匝，次級(jí)15匝，漏感為60 nH，輸入電容470μF，輸出電容1．36mF。

    Matlab仿真結(jié)果如圖5所示。圖中a～d分別為電感電流iL1～iL4的紋波波形，e為iL的紋波波形，可見iL的頻率為電感電流的4倍，紋波峰峰值小于電感電流的1／4，各路電感電流平均值相等，實(shí)現(xiàn)了輸入均流，驗(yàn)證了上述理論分析。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    基于上述研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。制作了一臺(tái)200 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，輸入電壓為1 V，輸出電壓為48 V，輸入電流為200 A，開關(guān)頻率50 kHz，DSP控制器采用dsPIC33FJ16GS504。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：主開關(guān)管和箝位開關(guān)管為IPP015N04N，二極管為肖特基二極管DSSK80-0045B，箝位電容為MKP10-15μF。實(shí)驗(yàn)測得變換器最高效率為82．7％，滿載效率為61．8％。滿載實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示?？梢姡鏖_關(guān)管和箝位開關(guān)管在滿載時(shí)均實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。由圖6c可見，iL的頻率為開關(guān)頻率的4倍，與仿真和理論分析相吻合。圖6d中，輸入電流和輸出電壓波形表明變換器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行良好，兩者紋波峰峰值均滿足能饋電子負(fù)載要求。

8 結(jié)論
    理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)有源箝位電流型半橋電路減小了變壓器和電感的體積，減小了輸入電流紋波，實(shí)現(xiàn)了輸入電流恒流控制和電感電流均流，并實(shí)現(xiàn)了高增益和較高的效率，很好的滿足了能饋電子負(fù)載對于低壓大電流輸入高增益變換器的要求。