一種DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種新穎的具有升降壓功能的DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)，具體地分析了該DC/DC變換器的設(shè)計(拓撲結(jié)構(gòu)、工作模式和儲能電感參數(shù)的設(shè)計)，詳細地闡述了該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)，最后給出了測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；降壓斬波；升壓斬波；儲能電感；直流開關(guān)電源

引言
在具有升降壓功能的非隔離式DC/DC變換器中，升壓/降壓變換器和Cuk變換器是負極性輸出，Sepic變換器和Zeta變換器是正極性輸出。但這兩個變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都需要兩個儲能電感，這必然導(dǎo)致變換器的損耗增加，效率變低，且體積和重量大。
本文針對實際研究項目中提出的要求，摒棄采用上述各種變換器，設(shè)計了一種新穎的具有升降壓功能和正極性輸出的DC/DC變換器，并采用該DC/DC變換器研制出達到技術(shù)指標要求的直流開關(guān)電源，獲得了良好的應(yīng)用價值。

DC/DC變換器的設(shè)計
變換器拓撲結(jié)構(gòu)
圖1所示是設(shè)計的DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。該DC/DC變換器為前后級串聯(lián)結(jié)構(gòu)。前級是由T1、T3、D1、D2、L、C、R1、R2構(gòu)成降壓變換電路，后級是由T2、D2、L、C構(gòu)成升壓變換電路，D2、L、C均出現(xiàn)在前、后級變換電路中。
從圖1中可以看出，采用PWM方式控制兩個主開關(guān)管T3、T2存在一定的困難，因為它們的控制端不共地。為了實現(xiàn)兩路控制信號共地，也只能選用功率晶體管。為此，在圖1所示的主變換電路中增加了輔助開關(guān)管T1，且T3由NPN型改為PNP型，顯然T1、T2是共地的，T1、T3是同步開關(guān)的，這就實現(xiàn)了兩路控制信號的共地。這樣，原本通過控制T3、T2來控制電路的工作狀態(tài)，現(xiàn)在則改為通過T1、T2來控制，T1稱為降壓斬波輔助開關(guān)，T2稱為升壓斬波主開關(guān)，T3稱為降壓斬波主開關(guān)。
工作模式的分析
假設(shè)所用電感和電容均為無損耗的理想儲能元件以及不計線路阻抗，且變換器始終處于電流連續(xù)狀態(tài)。該DC/DC變換器有兩種典型的工作模式——降壓工作模式和升壓工作模式，下面分別來分析這兩種工作模式。
降壓工作模式
當T2截止，T1以PWM方式工作，變換器處于降壓工作模式。此時，變換器與降壓變換器相比僅僅是多了一個二極管D2，而這一個二極管的加入對降壓變換器的工作無任何影響。因此，處于降壓工作模式的變換器等效于降壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為：
                                    (1)
升壓工作模式
當T1全導(dǎo)通，T2以PWM方式工作，變換器處于升壓工作模式。此時，變換器與升壓變換器相比多了一個全導(dǎo)通的開關(guān)管T3和一個二極管D1，而這兩個器件的加入對升壓變換器的工作無任何影響。因此，處于升壓工作模式的變換器等效于升壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為：
                               (2)
由此可見，該DC/DC變換器是將降壓和升壓變換器串聯(lián)起來，通過對兩個開關(guān)管T1、T2的配合控制獲得降壓工作模式和升壓工作模式，從而實現(xiàn)升降壓功能。
儲能電感參數(shù)的設(shè)計
由圖1的拓撲結(jié)構(gòu)可知，該DC/DC變換器只有一個儲能元件——儲能電感L，所以L必須能適應(yīng)降壓和升壓兩種不同的工作模式，以使變換器無論處于哪一種工作模式，L都能存儲足夠的能量，從而在以PWM方式工作的斬波開關(guān)截止時能提供給負載連續(xù)的電流。因此，L是該DC/DC變換器的關(guān)鍵元件，其參數(shù)的選取直接影響到變換器能否正常工作。
考慮最典型的情況，假設(shè)輸入電壓的變化范圍為Umin~Umax，且當Ui=Umax時，變換器處于降壓工作模式；當Ui=Umin時，變換器處于升壓工作模式。所以，根據(jù)公式(1)、Umax和Uo，可以得到T1的最小占空比amin；根據(jù)公式(2)、Umin和Uo，可以得到T2的最大占空比bmax。由于amin、bmax分別代表了L在兩種工作模式下的極端工作狀態(tài)，因此可以通過分別計算這兩個工作狀態(tài)的電感量，并取其中的大者作為L的設(shè)計參數(shù)，則儲能電感L就能同時滿足兩種工作模式的要求。

DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)
控制原理
圖2所示是該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的控制原理框圖，其應(yīng)用背景是飛輪儲能電力轉(zhuǎn)換器的能量回饋單元的設(shè)計。
控制系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。控制原理是電壓給定u*與電壓反饋u進行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定i*，i*與電流反饋i進行比較，得到的電流誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出對應(yīng)PWM波的脈沖寬度，然后經(jīng)PWM控制決定分配給哪個開關(guān)管，之后PWM波通過驅(qū)動電路驅(qū)動DC/DC變換器中相應(yīng)的開關(guān)管工作。
以上的雙閉環(huán)控制是針對工作在PWM方式下的開關(guān)管而言的。由于變換器采用的是兩個開關(guān)管的配合控制，兩種不同的工作模式就對應(yīng)兩種不同的PWM開關(guān)方案，因此必須設(shè)計相應(yīng)的控制邏輯分配單元來實現(xiàn)這兩種開關(guān)方案，這在圖2中以PWM控制單元表示。
控制實現(xiàn)
控制系統(tǒng)的設(shè)計可以采用模擬控制或數(shù)字控制兩種方案，本文以模擬控制方案闡述該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的控制實現(xiàn)，如圖3所示。
控制電路由兩級PI調(diào)節(jié)器、PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、故障檢測與保護電路等組成。
兩級PI調(diào)節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級均為帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，前級是電壓調(diào)節(jié)器，后級是電流調(diào)節(jié)器，前后級串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控制對象、輸出電流為副控制對象的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓，在輸入電壓或負載擾動作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，也易于實現(xiàn)限流和過流保護。由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸出電流。此外，電流調(diào)節(jié)器的限幅值限制了最大輸出電壓，防止了輸出電壓過高的非正常狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)安全可靠。
PWM波產(chǎn)生電路負責兩種PWM開關(guān)方案的實現(xiàn)，以滿足變換器降壓工作模式和升壓工作模式的要求。由于需要產(chǎn)生兩路控制信號，因此必須配合主變換電路進行特殊的電路設(shè)計，以解決控制邏輯的分配問題。如圖3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到兩個比較器的同相端，由一個三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波送到反相端，兩路信號相比較疊加獲得PWM波。分析可知，兩種不同的PWM開關(guān)方案可以通過對送到兩個比較器反相端的三角波加上不同的偏移電壓v1和v2來實現(xiàn)。當電流調(diào)節(jié)器輸出電壓低于5V時，比較器1與三角波有交點，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動降壓斬波輔助開關(guān)T1，而比較器2與三角波沒有交點，故無脈沖輸出，升壓斬波主開關(guān)T2截止；當電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于5V時，比較器2與三角波有交點，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動升壓斬主開關(guān)T2，而比較器1輸出高電平，降壓斬波輔助開關(guān)T1處于全導(dǎo)通狀態(tài)；而且，降壓工作模式和升壓工作模式的切換是平滑過渡的。這樣，就得到了邏輯上合乎要求的兩路控制信號，然后再經(jīng)驅(qū)動電路去驅(qū)動兩個開關(guān)管。
為了提高系統(tǒng)的可靠性，還設(shè)計了故障檢測與保護電路，包括過流保護、過壓保護、過熱保護等。這主要利用比較器對電流、電壓、溫度等的檢測值與設(shè)定的保護值進行比較，一旦發(fā)生超限現(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應(yīng)的保護動作。

測試結(jié)果
根據(jù)上述控制原理和實現(xiàn)方案，研制出了采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開關(guān)電源(主要參數(shù)：輸入電壓12~40V、輸出電壓28V、額定功率200W及效率≥85%等)。該直流開關(guān)電源主要指標的測試結(jié)果如下：
1. 輸入電壓允許范圍：在輸入電壓為10~40V的范圍內(nèi)，輸出電壓保持穩(wěn)定；
2. 輸出電壓：在50%負載條件下，平均輸出電壓為28.01V，輸出電壓穩(wěn)定度≤0.04%；
3. 電壓調(diào)整率：在各種負載條件下，電源電壓調(diào)整率≤0.18%；
4. 負載調(diào)整率：以50％負載為基準，負載電壓調(diào)整率≤0.14%；
5. 輸出電壓紋波(Vp-p)：在負載電流3.6A下，Vp-p≤250mV；
6. 負載能力：當輸出電流達到7.5A時，輸出電壓仍保持穩(wěn)定，對應(yīng)功率≥200W；
7. 效率：采用電阻性負載，測試效率≥85％。
8. 動態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)對輸入電壓和負載的突變能及時快速地響應(yīng)。

結(jié)語
本文對一種新穎的DC/DC變換器的設(shè)計和實現(xiàn)進行了論述，采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開關(guān)電源具有以下特點：
1. 變換電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，具有明確的工作模式，易于實現(xiàn)模擬或數(shù)字控制。
2. 采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，獲得良好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度。
3. 具有升降壓功能，正極性輸出，源效應(yīng)好，能適應(yīng)大范圍的輸入電壓變化。
4. 僅有一個儲能電感，具有可靠性好、效率高、體積小及重量輕等特點。
5. 適用于飛輪儲能、電動機制動再生能量回饋、風力發(fā)電等直流母線電壓變化范圍大且需進行直流變換處理的中小功率應(yīng)用場合?！?/P>

參考文獻
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