級聯式DC-DC隔離變換器的研究

董書發

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級聯式DC-DC隔離變換器的研究

董書發

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

Buck三電平變換器與正激變換器級聯構成的級聯式DC-DC變換器，該拓撲電路結構具有輸出整流電壓受輸入電壓波動影響小的特點，因此適用于寬輸入電壓波動范圍大的場合。該拓撲電路利用中間二極管實現了對正激級高頻變壓器磁通復位；通過分析該電路周期內的工作過程并試制了一臺450-750 V輸入，多路輸出的樣機，并給出了當輸入電壓520 V時實驗相關波形。采用該拓撲結構，節省銅材料，減小變壓器體積，動態特性好。

Buck三電平 級聯電路 多路隔離輸出

0 引言

目前，常用的隔離式變換器[1]有：反激式變換器、推挽正激式變換器、移相全橋變換器和對稱半橋變換器等。當輸入電壓和輸出電壓相差懸殊，輸出電壓路數較多時，需采用隔離式變換器。但單級隔離式變換器，因輸入、輸出電壓的懸殊，也存在著一些問題：由于變壓器的原、副邊繞組匝比較大，繞組間耦合不佳，漏感大，導致變換器的效率降低；同時還會造成較大的占空比丟失，不利于變換器的優化設計，影響整體效率的提升。

級聯式隔離型變換器[2,3]可任意由其中一級進行調節控制，有利于實現變換器的優化設計。Buck三電平變換器與正激式級聯構成的級聯式變換器，對正激式高頻變壓器磁通復位，沒有采用第三繞組，減少了變壓器的體積，且易于實現多路輸出。該結構解決了傳統變換器在設計中變壓器繞組之間耦合欠佳等問題，解決了抗輸入電壓擾動和負載擾動性能差的問題。

1 拓撲結構

Buck三電平變換器[4]與正激式級聯DC/DC變換器，如圖1所示。Buck三電平變換器環節主要針對輸入電壓變化時使輸出電壓保持穩定，采用電壓型控制[5]，開關管Q1、Q2相差半個周期，電容C1上的電壓等于輸入的一半；正激式環節采用電流型控制。該拓撲結構具有三個優點：

1）采用Buck三電平變換器大大減小儲能元件的大小；開關管的電壓應力為輸入電壓的一半；續流二極管的電壓應力為輸入電壓的一半；

2）兩控制回路相互獨立互不影響；

3）正激式高頻變壓器沒有用第三繞組，減小了變壓器的體積。通過控制開關管Q1、Q2使電容C2電壓為一穩定的電壓，不受輸入電壓的影響。

圖 1 初級主電路結構

2 工作原理

為了減化分析，對初級主電路做以下假設：

1）L足夠大，使Buck三電平變換器工作于連續模式；

2）變壓器及所有的器件都是理想器件。

圖 2 驅動及電壓波形

初級主電路控制和主要波形如圖2所示，其工作主要有以下幾種情況：

1）[t0，t1]階段Q1，Q3同時導通，Q2關斷，導通回路如圖3(a)粗實線所示，不難看出，電感充電，穩態時隔直電容C1兩端的電壓等于/2，可得關系式（1），（2）即

2）[t1，t2]階段Q1及Q2關斷，Q3導通，D1、D2續流。導通回路如圖3(b)粗實線所示，可得關系式（3），（4）即

（4）

3）[t2，t3]階段Q2及Q3導通，Q1關斷，導通回路如圖3(c)粗實線所示，可以得關系式（5），（6）即

4) [t3 ，t4 ]階段Q2導通，Q1及Q3關斷，電感充電，變壓器磁通復位通過D3續流，導通回路如圖3(d)粗實線所示，可得關系式（7），(8)即

5）[t4，t5 ]階段Q1、Q2及Q3關斷，電感L充電，變壓器磁通復位通過D3續流，導通回路如圖3(e)粗實線所示，可得關系式（9），(10)即

6）[t5，t6]階段Q1導通，Q2及Q3關斷,變壓器磁通復位通過D3續流，導通回路如圖3(f)粗實線所示,可得關系式（11），(12)即

由以上分析可知buck三電平變換器與正激式變換器是相互獨立工作，互不影響。Buck三電平環節的輸出電壓為：

（13）式中1-Buck三電平的占空比。

變壓器兩端電壓只與開關管Q3的開、關有關，而與Q1、Q2的導通沒有直接的關系，當Q3導通時為U，關斷時為U-U，副邊的輸出為：

（14）式中D2-正激式開關管的占空比；Ns-正激式變壓器的原邊匝數；Np-正激式變壓器副邊匝數；Ui-Buck三電平變換器的輸出電壓，其通過上一級調節得到一穩定的電壓。

3 實驗結果

電路參數：輸入直流電壓的范圍450-750 V；Buck三電平采用電壓型PWM控制芯片SG3525，工作頻率為70 kHz；取3 mH,C2取220mF，隔直電容取2.2mF；正激式環節采用電流型PWM控制芯片UC3844，工作頻率50 kHz；MOS管采用2SK1271，二極管采用快恢復二極管MUR8100；對于整流側采用BA159；滿載時輸出功率70 W。

圖4（a）為Buck三電平環節Q1驅動波形，Q2的驅動波形與Q1的驅動波形相差半個周期，在圖5中沒有給出；圖4（b）為UAB兩端的電壓波形，可以看出其周期是MOS管Q1，Q2開關周期的一半，幅值為輸入的一半，從而降低開關管Q1，Q2和二極管D1，D2的應力，減小了濾波電感和濾波電容的大小；圖4（c）為當輸入電壓520 V為隔直電容C1兩端的電壓波形，可看出為直流輸入側的一半，輸出電壓260 V；圖4（d）為Buck三電平環節輸出直流200 V；圖4(e)正激環節Q3的驅動波形及變壓器副輸出邊形，不難看出變壓器可以磁通復位，但受變壓器電感及漏感的影響，負半周波形不為嚴格的矩形方波；圖4(f)為15 V直流輸出波形。

4 結語

采用“Buck三電平+正激”兩級式拓撲結構解決了傳統單級式變換器在輸入電壓高、波動范圍比較大場合時，開關管應力大，響應速度慢等缺點，通過并采用一種新穎的拓撲結構對正激式變換器中高頻變壓器磁通復位，節省了銅材料，減小了變壓器的體積，更經濟；兩控制回路相互獨立，簡單可靠，易于實現，具有良好的動態特性和抗輸入電壓及負載擾動，且易實現多路輸出。

[1] 張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計(修訂版). 北京: 電子工業出版社, 2004.

[2] 黃劍峰, 馬皓. Buck與推挽級聯式DC／DC變換器的研究. 電力電子技術, 2008, 42(6): 30-32.

[3] 任小永, 阮新波. 適用于高壓輸入低壓輸出的兩級式變換器. 中國電機工程學報, 2005, 25(23): 153- 157.

[4] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開關技術. 北京: 科學出版社, 2006: 41-46, 81-88.

[5] 鐘小芬, 吳捷. 基于SG3525電壓調節芯片的PWM Buck三電平變換器. 電源應用技術, 2004, 7(7): 411-415.

Research on Optimal Cable Segmentation in Offshore Platform Construction

Dong Shufa

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao Shandong 266520, China）

TN624

A

1003-4862（2019）06-0025-04

2018-12-14

董書發（1984-），男，工程師。研究方向：機電一體化。E-mail：dongsf@mail.cooec.com.cn