六重交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)

作者 張釗1 王景芹1 王歡2 陸桂軍2 郭永新2 1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院(天津 300130) 2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司(天津 300180)

張釗(1991-)，男，碩士生，研究方向：電器可靠性及檢測(cè)技術(shù)。

摘要：雙向DC/DC變換器是根據(jù)需求調(diào)節(jié)能量雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷鞯淖儞Q器。交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)在大功率、多重化DC/DC變換器應(yīng)用廣泛，可以用較低的開關(guān)頻率獲得較高開關(guān)頻率的輸出效果，能夠有效減小變換器的紋波值。本文在單相DC/DC變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種六重交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器，能夠提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率、降低紋波電流，從而提高電壓和電流精度。最后通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器的紋波明顯小于單相DC/DC變換器，有利于電能質(zhì)量的提高，證明了結(jié)論的正確性。

引言

　　DC/DC變換器在直流電機(jī)傳動(dòng)、家電及電子設(shè)備等方面應(yīng)用廣泛，是一類重要的電源裝置。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，功率等級(jí)不斷提高，DC/DC變換器的輸出電流和輸出功率也越來(lái)越大^[1]，這就對(duì)功率器件的電壓、電流定額提出了更高的要求。

　　變換器并聯(lián)運(yùn)行可以在不增加功率器件性能的前提下提高其輸出功率，交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)是大電流DC/DC變換器經(jīng)常使用的一類并聯(lián)技術(shù)，具有開關(guān)電流小，輸出電流紋波低，開關(guān)損耗小、輸出電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)^[2-3]。本文在傳統(tǒng)的單相DC/DC變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種開關(guān)頻率較高的六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器，進(jìn)一步降低電壓和電流紋波，從而減小濾波器等無(wú)源元件的體積，提高變換器的功率密度。

1 六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

　　DC/DC變換器包括隔離型和非隔離型變換器，隔離型變換器通常會(huì)加入變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，本文只討論非隔離型變換器。DC/DC變換器的電壓變換功能是用斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最基本的直流斬波電路是降壓斬波電路(圖1)和升壓斬波電路(圖2)^[4]。

　　降壓斬波電路中，當(dāng)開關(guān)管V開通時(shí)，負(fù)載電壓U₀與輸入電壓U_i相同，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，因此，負(fù)載電壓大小與開關(guān)管開通的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，負(fù)載電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足關(guān)系式(1)和(2)，即：

　　而雙向DC/DC變換器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能是能量既能升壓又能降壓的雙向流動(dòng)。如圖3所示，將降壓斬波電路和升壓斬波電路組合在一起，成為一種電流雙向可逆的斬波電路，可實(shí)現(xiàn)正向降壓模式和反向升壓模式^[5,6]。該電路中，V₁和VD₂構(gòu)成降壓電路，V₂和VD₁構(gòu)成升壓電路，在對(duì)V₁、V₂做PWM調(diào)制時(shí)要注意設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，以免輸入電壓直通，損壞功率器件。

　　圖3為基本的雙向DC/DC變換器原理圖，其輸出只有一相，因此也稱為單相DC/DC變換器。這類變換器的紋波電壓較大，且受制于IGBT器件的生產(chǎn)工藝及成本，其輸出功率難以提高。變換器并聯(lián)方案可以提高輸出功率，且具有可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、良好的冗余特性和便于標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)^[7-8]，已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用，但直接并聯(lián)不能解決變換器的電壓、電流波動(dòng)，為此，本文采用交錯(cuò)技術(shù)以提高并聯(lián)后的電壓、電流性能。

1.1 六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器主回路分析

　　在公共直流母線系統(tǒng)中，負(fù)載端所需要的電壓等級(jí)可能存在差異，因此需要用DC/DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變換，滿足不同電壓等級(jí)的需要。本文所選的變換器主電路選用六重并聯(lián)結(jié)構(gòu)，得到一種新的交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器主回路^[9]，如圖4所示。

　　該電路由6個(gè)單相DC/DC變換器交錯(cuò)并聯(lián)而成，每單相變換器包含兩個(gè)IGBT開關(guān)管，可以實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)。輸入端接在公共直流母線系統(tǒng)中，負(fù)載端可以接不同電壓等級(jí)需要的直流電機(jī)或逆變器，也可以為蓄電池充電。該DC/DC變換器可實(shí)現(xiàn)能量從左到右的正向降壓模式和能量從右到左的反向升壓模式(如電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)運(yùn)行時(shí)向電源反饋能量)^[9]。

　　正向降壓模式時(shí)，每相的上半部分開關(guān)管V11保持打開狀態(tài)，下半部分開關(guān)管V12保持關(guān)斷狀態(tài)。反向升壓模式時(shí)，開關(guān)管狀態(tài)與正向時(shí)相反，每相的下半部分開關(guān)管V12保持開關(guān)狀態(tài)，上半部分開關(guān)管V11保持關(guān)斷狀態(tài)。

1.2 六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器工作性能分析

　　本文主要分析該變換器的正向降壓模式，其反向升壓模式工作方式同理可得。該變換器的正向降壓模式是通過(guò)控制相應(yīng)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每相的上半部分開關(guān)管V11保持正常的開關(guān)狀態(tài)，下半部分開關(guān)管V12保持關(guān)斷狀態(tài)，其等效電路圖如圖5所示。因?yàn)椴捎玫氖墙诲e(cuò)并聯(lián)控制，這里的關(guān)鍵是6個(gè)變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)在時(shí)間上要分別相差1/6開關(guān)周期，總的輸出電流為六個(gè)單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的6倍，脈動(dòng)頻率也為6倍。而由于六個(gè)單元電流的脈動(dòng)幅值相互抵消，使總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小，進(jìn)而減小輸出電流紋波，提高了電流精度。六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器輸出的等效開關(guān)頻率將是單相DC/DC變換器開關(guān)頻率的6倍。

　　交錯(cuò)并聯(lián)變換器和單相變換器相比，輸出電壓和電流的紋波更小，電能質(zhì)量更高。在單相變換電路中，流過(guò)電感的電流為輸入電流值;而在六重交錯(cuò)并聯(lián)電路中，總的輸入電流被均分到六個(gè)單元電路中，流過(guò)每個(gè)電感的電流變?yōu)榭傠娏鞯?/6。當(dāng)處于功率等級(jí)相同的情況時(shí)，若流過(guò)單相電路電感中的電流為I，則相應(yīng)的電感儲(chǔ)能為：

(4)

　　類似的，在六重交錯(cuò)并聯(lián)電路中，6個(gè)電感中儲(chǔ)存的總能量則會(huì)變?yōu)椋?/p>

(5)

　　因此，六重交錯(cuò)并聯(lián)總的電感儲(chǔ)能變?yōu)閱蜗嗟?/6，當(dāng)功率等級(jí)不變時(shí)，每相變換器可以選擇容量較小的半導(dǎo)體器件，所需濾波電感值也較小。

　　六重交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器采用的是電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制方法，包括六個(gè)電流內(nèi)環(huán)和一個(gè)電壓外環(huán)，為了保證均流^[9]，六個(gè)電流環(huán)都有單獨(dú)的控制信號(hào)，給定電壓信號(hào)U_dc*經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)入到電流環(huán)，得到的電流信號(hào)I_dc*經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后控制開關(guān)管的占空比，進(jìn)而控制電感電流和電容兩端電壓，將輸出的電感電流作為電流反饋信號(hào)I_act反饋到電流環(huán)中，電容兩端電壓作為輸出電壓反饋信號(hào)u_act反饋到電壓外環(huán)中，電流環(huán)和電壓環(huán)都為負(fù)反饋調(diào)節(jié)，如圖6所示。