固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的研究

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(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018)

固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的研究

李娟，蔡慧

(中國計量大學機電工程學院，杭州310018)

根據先前對開關電容變換器的研究，設計出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器；該開關電容變換器結合了最近幾年研究的單橋臂開關電容變換器的結構特點，具有直流開關電容變換器、單橋臂開關電容變換器的特點和優點，并且能夠工作在直流和交流兩種電流模式下，具有體積小、所需元器件種類少、效率高和功率密度大等優點；運用兩路互補的PWM波對雙橋臂開關電容變換器中的功率開關管進行驅動，電路結構相對簡單，文中分析了變比固定變比為1/3的雙橋臂的驅動過程、工作過程，通過仿真對其高頻工作過程以及電容的換向過程進行了研究；給出了固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的電路設計方案及控制電路方法和方案；最后通過實驗驗證了該電路拓撲結構的可行性和正確性。

開關電容變換器；雙橋臂；PWM控制；低頻分析；高頻分析

0 引言

開關電容變換器具有體積小、所需元器件種類少、效率高且功率密度大[1]等優點，并且可以空載運行而不需要虛負載，而且在完全空載時的電壓變比僅由電路拓撲結構決定[2]。基于以上優點，開關電容變換器在小功率場合得到了一定的應用[3]，比如在汽車工業[4-5]以及電池工業[6-7]中。開關電容直-直變換技術已經取得了很大的進展，各種拓撲結構[8-9]以及控制方法[10-11]層出不窮。但主要集中在直流領域和單橋臂領域，對交流領域和雙橋臂領域的開關電容變換器的研究甚少。

本文在先前對單橋臂開關電容變換器研究的基礎上提出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器，其等效電路可由一個變比為1/3的理想變壓器和等效內阻為Req的串聯結構表示，如圖1所示[12]。這種變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器可以工作在交流和直流兩種工作模式，在早期的研究中表明，其開關電容的穩態性能與開關電容變換器的工作時的工作特征息息相關。因此文中主要研究其在交流模式下的工作特征。

圖1 固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器等效電路

1 固定變比為1/3的變換器

1.1 固定變比為1/3的雙變換器電路

如圖2所示為變比為1/2的雙橋臂開關電容變換器的主電路拓撲結構，輸入端為c-d，輸出端為e-f，輸入輸出電壓變比為1/2。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12為功率開關管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10為吸收和傳遞能量的電容，功率開關管通過STM32給出兩路互補的PWM波，對其PWM波形進行放大到18 V對功率開關管進行驅動，其中S1、S3、S5、S7、S9、S11為一組PWM波，S2、S4、S6、S8、S10、S11、S12為另一組PWM波，其PWM驅動波形如圖3所示。

1.2 工作過程

在驅動電路提供PWM信號進行驅動的情況下，固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器有兩種工作階段，以輸入電壓的正半周期說明如下：

圖2 固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器

圖3 功率開關管的PWM驅動波形

在一個開關周期中，固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器可分為DT和(1-D)T兩個工作階段，如圖4所示。

圖4 固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器高頻工作過程

第一階段DT：功率開關S1、S3、S5、S7、S9和S11導通；功率開關S2、S4、S6、S8、S10和S12關斷；

在第一階段中，電容C7和C10充電，C8和C9放電。首先，電容C1、C3和C5放電，電容C2、C4和C6充電，如圖9中的t1A。接著，電容C1、C3和C5開始充電，電容C2、C4和C6開始放電直到整個階段結束,如圖4中的t1B。在這整個階段中，電容C7和C10充電，電容C8和C9放電。電源ui將能量傳遞給電路。這一階段結束時，功率開關S1、S3、S5、S7、S9和S11關斷；功率開關S2、S4、S6、S8、S10和S12導通。

第二階段(1-D)T：功率開關S1、S3、S5、S7、S9和S11關斷；功率開關S2、S4、S6、S8、S10和S12導通；

在第二階段中，電容C7和C10放電，電容C8和C9充電。首先，電源接受來自電路的能量，電容C1、C3和C5放電，電容C2、C4和C6充電，如圖4中的t2A。接著，電源傳遞能量給電路，電容C1、C3和C5開始充電，電容C2、C4和C6開始放電直到這一狀態結束。這個狀態結束時，功率開關S2、S4、S6、S8、S10和S12關斷；功率開關S1、S3、S5、S7、S9和S11導通，如圖4中的t2B。

第二階段結束后，新的開關周期從第一階段開始。

在輸入電壓的負半周期，固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器有著與圖4中相似的工作狀態，區別只是電流的方向與正半周期的電流流向相反。

1.3 理論分析

如圖2所示，輸入端為a-b端、輸出端為e-f端，輸出輸入變比為1/3；輸入輸出(vi和v0)的理論波形如圖4(a)所示，Vpk是輸入電壓的峰值。當變比為1/3時，電壓增益為：

(1)

電容電壓的平衡是確保開關電容變換器工作的基本條件。電容C1、C2、C3、C4、C5、C6兩端的電壓是交流成分，為輸入電壓vi(高壓側)的1/4。在所提出的開關電容變換器的結構下，電容C7、C8和電容C9、C10也有這樣的交流成分。當輸入電壓加在兩側橋臂上時，兩側的二極管各有一個導通從而形成回路。這些瞬態電壓致使對所有的電容引入了一個Vpk/4的直流電壓，從而避免了負電壓。因此，電容兩端電壓的成分是由一個峰值為Vpk/4的交流成分和Vpk/4的直流成分組成[11]。所以通過每個電容兩端的電壓峰值最大為Vpk/2，如圖4的c和d所示。由電路工作過程的回路分析可知功率開關承受的最大電壓的峰值是3Vpk/4，如圖5的(b)所示。

圖5 固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的理論電壓

本文所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器工作于交流電壓變換時，變換器的工作原理與直-直變換有類似的工作狀態和電壓電流波形。他們的不同在于當輸入電壓負半周時，變換器電路各元件的電流方向與輸入電壓正半周以及直-直變換時相反。交-交變換時不同的電源頻率一定程度上會使變換器具有不同工作過程，本文僅討論電源頻率為50 Hz的情況。

2 仿真結果分析

為了驗證本文所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的此拓撲結構理論分析的正確性，對所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器進行了仿真驗證，結果如圖6所示。

圖6 固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器(變比為1/3)的仿真結果

如圖6(a)所示為固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器在多個電源周期的輸入輸出電壓的仿真波形，輸入設置是幅值為60 V的交流電壓，其仿真輸出為幅值20 V的交流電壓，輸出輸入電壓變比為1/3。圖6(b)為固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器多個電源周期的功率開關管S1兩端的電壓，最大的耐壓值為30，即Vpk/3；圖6(c)為左橋臂電容電壓，各電容兩端電壓的成分是由一個峰值為10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值為輸入電壓的1/3；圖6(d)為右橋臂電容在多個電源周期的電壓，各電容兩端電壓的成分也是由一個峰值為10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分組成的交流電，最大峰值也為輸入電壓的1/3。對比理論分析中的圖5與圖6的仿真結果可知，理論與仿真結果一致。

3 實驗驗證

為了驗證所提出的固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器電路拓撲結構的可行性以及理論分析的正確性，搭建了一個60 V/20 V的雙橋臂開關電容變換器電路進行實驗。固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器的MOSFET開關采用IRFP460，以滿足承受電壓和電流的要求。電容C1，C2和C3選擇10(F的CBB電容，其電容量以及損耗隨溫度、頻率變化小。負載選擇100(功率電阻。開關頻率選擇為50 kHz。

圖7 實驗電壓(縱軸每格20 V)

圖7為固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器工作的實驗波形，從實驗波形與理論波形的對比我們可以得出理論與實驗基本一致，降壓效果比較好。以60 V交流輸入電壓為例，負載為 100(，由Agilent 34401A測得輸出電壓有效值19.8 V，電壓變比為0.33，與理論變比非常接近。該固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器除了可以工作在交流的條件下也還可以實現直流(正電壓和負電壓均可)輸入輸出。

4 結論

本文在分析和研究了先前的各種單橋臂開關電容變換器的基礎上設計出一種固定變比為1/3的雙橋臂開關電容變換器，通過研究發現，該變換器既可用于交-交變換，又可用于直-直變換，在此基礎上研究了電路的兩種工作狀態、驅動方式和換向過程，通過仿真對該拓撲結構的準確性進行了驗證，并搭建了一個60 V/30 V的雙橋臂開關電容變換器對電路的準確性和可行性進行了實驗驗證。

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FixedVariableThanfor1/3oftheDoubleBridgeArmSwitchCapacitanceTransducer

Li Juan，Cai Hui

(China university of Jiliang 310018, China)

according to the previous study of switched capacitor converter, designed a fixed variable than for 1/3 the double bridge arm switch capacitance transducer.The switch capacitance transducer is a combination of research in recent years, the structural characteristics of single bridge arm switch capacitance transducer, dc switch capacitance transducer, the characteristics and advantages of single bridge arm switch capacitance transducer, and the ability to work in dc and ac two current mode, has small volume, less species required components, and the advantages of high efficiency and power density.Two complementary PWM wave is used to build the power switch tube in the arm switch capacitance transducer drive, relatively simple circuit structure, this paper analyzes the change than fixed than for a third of the double bridge arm driving process, work process, through the simulation of the working process of the high frequency and the capacitance of the reversing process were studied.Fixed variable than is given to a third of the double bridge arm switch circuit design scheme of capacitive transducer and control circuit method and scheme.Finally through the experiment proves the correctness and the feasibility of the circuit topology.

switch capacitance transducer; double bridge arm; PWM control. Analysis of low frequency;Analysis ofhigh frequency

2017-05-09；

2017-07-21。

李 娟(1992-)，安徽六安人，碩士研究生，主要從事開關電容變換器方向的研究。

1671-4598(2017)09-0282-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.072

TM74

A