一種新型有源調壓變換器的實現*

胡建平，李培強（.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽 4200；2.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 40082）

1 有源浮充結構

普通變換器（以Buck、Boost變換器為例）由于變壓幅度受限制，如果能在普通變換器中增加一個能控制電壓的浮充平臺對輸入或輸出電壓進行控制。這將大大提高變換器實現大變比電壓轉換的能力。圖1為目前3種有源浮充結構的電路圖［6-7］，圖中的元件包括：儲存電路電能的電壓源電容Cf、高頻有源開關Sf、非線性電感Lf和續流二極管VDf。浮充電路的功能就是利用電壓源電容Cf將原電路中多余電源能量先行存儲，再利用高頻開關將電壓源電容Cf中存儲的能量通過Lf釋放給負載。

圖1 有源浮充平臺電路

2 帶有源浮充結構的變換器

2.1 結構

根據變換器的工作原理，將圖1中所示電路與普通變換器的電路相結合，優化電路后可得到帶有源浮充結構的變換器原理圖，如圖2所示。

由于圖中所示的3種結構電路中所使用了完全相等的的元件，電路結構的相似性使得3種電路的電壓增益也相同，都為M=D1D2（D1,D2分別為有源開關S1、Sf的穩態占空比）。所以本文只對其中一種結構即結構1進行重點研究。

圖2 帶有源浮充結構的調壓變換器電路

2.2 原理

變換后的電路中用整流開關SR1和SR2代替了有源浮充電路中的續流二極管VD，假設電路的原始狀態為持續導通；此時電路處于穩態，浮充電容Cf上電壓穩定；開關S1和Sf采用移相方式控制，電路的點空比≤0.45；通過控制開關量S1、SR2、Sf、SR1的開斷，在一個開關周期內可以得到3種工作狀態，具體見圖3。

圖3 變換器電路工作狀態

由于電路在穩態工作下工作，電感Lo、Lf兩端的正伏秒值等于負伏秒值。電容Co、Cf兩端的正安秒值等于負安秒值。［8］所以有

圖4 有源浮充變換器四相交錯并聯電路

3 試驗驗證

為了驗證新型變換器電路設計的有效性，應用電路試驗軟件Saber將新型變換器（見圖4）與基本型變換器在相同參數下進行對比驗證，具體參數如下：Vs=12 V，Vo=1.2 V，Lo=Lf=0.48 μH，fs=250 kHz，Cf=68 μF，Co=820 μF ，io=50 A 。

圖5為兩種變換器的電壓應力波形圖。從圖形中可以看出，新型變換器中電源開關、電流開關應力峰值都只有6 V，而普通變換器為12 V。所以新開變換器的開關電壓明顯減少，功率損耗也減少，這將有益于電路中開關管的選配（電壓等級越底越好），從而提高了變換器的工作效率，降低了生產成本。圖6為兩種變換器中電感、電容電流紋波對比圖。從圖中波形可以看出，新型變換器的電流波形與普通型相比只有其一半左右。因些新型變換器的低輸出電流紋波能有效減小開關和電感損耗（由于降低了電感電流峰值和有效值RMS的緣故），提高效率。同時，可以減少對輸出濾波電容的數量要求，有利于減小變換器體積，提高整機功率密度。

圖5 兩種變換器電壓應力對比圖

圖6 兩種變換器電感電流、電容電流波形對比圖

4 結語

綜上所述，針對目前無法實現大變比調壓、高頻高效的調壓變換器的實現，本文提出了一種將有源浮充結構加入到現有的調壓變換電路之中，提出了一種新型調壓變換器，通過對新型變換器的電路實驗驗證。證明了電路設計的有效性和合理性。對高頻高效大變比調壓變換器的設計提供了新思路和新方法。

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胡建平（1982-），男，漢族，湖南衡陽人，湖南高速鐵路職業技術學院，講師，研究生，主要研究方向為電子、電器負荷功率研究，944264426@qq.com；

李培強（1975-），男，漢族，湖南長沙人，湖南大學電氣與信息工程學院，副教授，主要研究方向為電力系統功率分析與建模，12566477@qq.com。