胡培民， 翁曉光， 王勤

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210000)

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一種有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的研究

胡培民， 翁曉光， 王勤

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210000)

為提高Boost變換器傳輸效率，提出了一種運(yùn)用輔助電感和箝位電路實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器不僅實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷，大大減少了二極管的反向恢復(fù)電流帶來的能量損耗。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輔助開關(guān)管的零電壓開關(guān),降低了附加損耗。在原理仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)試制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了開關(guān)管波形，驗(yàn)證了軟開關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。

Boost；交錯(cuò)并聯(lián)；軟開關(guān)；有源箝位；反向恢復(fù)

0 引 言

新能源和鋰電池技術(shù)由于無污染，綠色環(huán)保得到廣泛關(guān)注和運(yùn)用[1]。但新能源和鋰電池的輸出電壓一般都比較低，而且新能源電壓變換范圍較寬，一般需要經(jīng)過升壓DC/DC變換器之后，才適合輸入后級(jí)逆變器。Boost電路有著輸入電流連續(xù)，拓?fù)渚?jiǎn)、效率高的特點(diǎn)，通常運(yùn)用在PFC電路中[2]，是一個(gè)合適的拓?fù)溥x擇。而隨著越來越高的功率等級(jí)需求，通常采用多路Boost電路交錯(cuò)并聯(lián)的技術(shù)。該技術(shù)每路電流僅有原來的幾分之一，即可以減小輸出電流紋波，保護(hù)了電源和負(fù)載，又可以降低開關(guān)損耗和減小電感體積[3]。交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)雖然可以降低開關(guān)損耗，但是開關(guān)管仍工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗較大，引起嚴(yán)重的EMI問題[4]。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了零電流開通，但是主開關(guān)管仍然是硬關(guān)斷。

文中將兩個(gè)Boost電路交錯(cuò)并聯(lián)，再附加輔助電感和有源箝位電路，提出了一種新型的交錯(cuò)并聯(lián)Boost拓?fù)?。與傳統(tǒng)Boost電路相比，該變換器的所有功率開關(guān)管在整個(gè)開關(guān)周期都處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，減少了開關(guān)損耗，提高了變換器的效率。箝位電路的存在，消除了二極管反向恢復(fù)電流問題，也提高了這部分的關(guān)斷損耗。整體上提升了整個(gè)變換器的效率。

1 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

有源交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路如圖1所示，圖中Q1、Q3是主開關(guān)管，L1和L2是完全相同的兩個(gè)電感，Ls是輔助電感，Q2和Q3是實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的輔助開關(guān)管，C1和C2是輔助電容。

圖1 有源交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路

1.2 工作模態(tài)分析

交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的開關(guān)過程如圖2所示，波形如圖3所示。分析之前假設(shè):①所有器件為理想器件；②L1=L2；3.輸出電壓恒定不變。另外由于電路的對(duì)稱特點(diǎn)，因此本文僅分析Q1一路的換流過程，具體分析如下：

(1) 階段1(t0～t1)，在t0-時(shí)，所有開關(guān)管均關(guān)斷，整流二極管D2導(dǎo)通。t0時(shí)刻，Q1導(dǎo)通，L1兩端為輸入電壓，故電流上升，由于iQ1=iL1-iLs，而L1、Ls上的電路均不能突變，因此Q1的電流緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了零電流開通。此時(shí)各電感電流中iL1上升，iL2下降，iLs下降，電流變化率為:

(2) 階段2(t1～t2)，Ls的電壓下降到零并在輸出電壓的作用下，開始反向增長(zhǎng)。當(dāng)增長(zhǎng)到iLs=iL2，二極管D2截至。電容C2開始與Ls諧振，將C2的能量經(jīng)過Q4的體二極管轉(zhuǎn)移到Ls上，Ls上的電流繼續(xù)上升。

圖2 拓?fù)浞€(wěn)態(tài)工作模態(tài)等效電路

圖3 拓?fù)浞€(wěn)態(tài)工作模態(tài)波形圖

(3) 階段3(t2～t3)，t2時(shí)刻，C2的電壓降低為0，Q4體二極管關(guān)斷，Q3體二極管導(dǎo)通，使得C2的電壓被箝位在0。L2和Ls串聯(lián)，電流開始上升，上升速率為:

(4) 階段4(t3～t4)，t3時(shí)刻輔助開關(guān)管Q2導(dǎo)通，導(dǎo)通前兩端電壓被導(dǎo)通的主開關(guān)管Q1箝位在零，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。Q2開通不影響主電路。

(5) 階段5(t4～t5)，t4時(shí)刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，L1和Ls上的電流對(duì)C1充電，因此Q1兩端的電壓從零開始緩慢增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。其中:

(6) 階段6(t5～t6)t5時(shí)刻，C1的電壓上升到輸出電壓，二極管D1導(dǎo)通，并將C1箝位在輸出電壓Ubus。電感L1、Ls的電流開始下降，L2繼續(xù)上升，變化率為：

(7) 階段7(t6～t7)t6時(shí)刻，iL2=iLs，Q3的體二極管關(guān)斷，L1、L2、Ls電流均下降，變化率為:

(8) 階段8(t7～t8)t7時(shí)刻，開關(guān)Q2關(guān)斷，因?yàn)镃1箝位在輸出電壓，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。該過程不影響主電路。

t8時(shí)刻，Q3導(dǎo)通，電路的對(duì)稱性可推斷過程與Q1相似，這里不再具體分析。波形圖如圖3所示。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與討論

2.1 輔助電感Ls設(shè)計(jì)

電路中L1、L2、Cbus都可依據(jù)紋波要求按照傳統(tǒng)規(guī)則設(shè)計(jì)，而輔助電感Ls成為變換器設(shè)計(jì)的核心部分。輔助電感取決于主開關(guān)管開通時(shí)間，保證開關(guān)頻率達(dá)100 kHz不影響正常電路工作以及交錯(cuò)換流。綜合L1上伏秒平衡公式[6]：

UbatΔt1+(Ubat-Ubus)Δt2+

其中Δt1、Δt2、Δt3、Δt4是L1上電流在Q1開通時(shí)依次上升下降時(shí)間。由此綜合考慮，L1=L2=22 μH,Ls=4 μH。

2.2 輔助管脈沖寬度設(shè)計(jì)

輔助開關(guān)管Q2、Q4的脈寬設(shè)計(jì)，取決于主開關(guān)管Q1和Q2實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷需要的時(shí)間，又要在對(duì)稱主開關(guān)管開通前關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中輔助管先于主開關(guān)管開通Δt1=0.5 μs，后于主開關(guān)管關(guān)斷Δt2=1.0 μs。

2.3 輔助電容設(shè)計(jì)

由上述模態(tài)分析可知，輔助電容C1、C2越大，可以減少關(guān)斷損耗，但是同時(shí)儲(chǔ)存的能量(1/2CU2) 越多，和電感Ls諧振時(shí)的電流峰值越大，會(huì)造成導(dǎo)通損耗的增加，因此需要綜合考慮。最終選取2.2 nF。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證原理，研制了一臺(tái)原理樣機(jī)，參數(shù)為：四個(gè)開關(guān)管為型號(hào)IRFP4468PBF的MOSFET(100 V，95 A)，二極管選用STPS60150C的肖特基二極管(150 V，60 A)，其他參數(shù)是輸入12 V，輸出15 V，開關(guān)頻率100 kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

如圖4(a)所示，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電流開通，關(guān)斷過程只有一個(gè)很小的重疊區(qū)域，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)的功能。

圖4 開關(guān)管軟開關(guān)相關(guān)波形

如圖4(b)所示，輔助開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)刻都實(shí)現(xiàn)了ZVS，因此輔助開關(guān)管的使用并未帶來過多的開關(guān)損耗，與原理相符合，驗(yàn)證了前文的分析，肯定了拓?fù)涞膬r(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的交錯(cuò)并聯(lián)軟開關(guān)Boost電路，實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，消除了二極管反向恢復(fù)問題，極大的改善了硬開關(guān)具有的EMI等問題。輔助開關(guān)管也實(shí)現(xiàn)了ZVS，整體上提高了拓?fù)湫省?/p>

[1] 錢照明，何湘寧. 電力電子技術(shù)及其應(yīng)用的最新發(fā)展(一)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1997, 17(6)：361-366.

[2] 王山山, 柳緒丹, 胡長(zhǎng)生. 峰值控制交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程, 2010, 27(08):88-90.

[3] 吳小田. 一種高升壓比DC/DC變換器設(shè)計(jì)[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2012.

[4] 姚源. 基于副邊移相控制的軟開關(guān)DC/DC變流器研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2014.

[5] LEE P W, LEE Y S, CHENG D K W, et al. Steady-state analysis of an interleaved boost converter with coupled inductors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(4):787-795.

[6] SANJAYA MANIKTALA. 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].2版.北京：人民郵電出版社，2015.

[7] CORRADINI L, SELTZER D, BLOOMQUIST D, et al. Minimum current operation of bidirectional dual-bridge series resonant DC/DC converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(7):3266-3276.

[8] 胡亮, 朱忠尼, 林潔,等. 一種帶有軟開關(guān)的交錯(cuò)并聯(lián)變換器[J]. 電力電子技術(shù), 2011,45(4):25-27.

Study on an Active-Clamped Interleaved Boost Circuit

Hu Peimin, Weng Xiaoguang, Wang Qin

(Automation College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000, China)

To improve the transmission efficiency of the Boost converter, this paper presents a topological structure using an auxiliary inductor and clamping circuit to realize soft switching of the interleaved Boost circuit. The converter does not only achieve zero current turning-on and zero voltage turning-off of the main switch tube, thus greatly reducing the energy loss caused by the reverse-recovery current of the diode, it also realizes zero voltage switching of the auxiliary switching tube and reduces additional loss. On the basis of the principle of emulating, an experimental prototype is designed and made. Experimental results give the waveform of the switching tube and verify realization of the function of soft switching.

Boost; interleaving; soft switching; active clamp; reverse recovery

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.006

TM461

A

1000-3886(2016)04-0019-02

胡培民(1991- ) 男，江蘇南京人，碩士生，研究方向?yàn)槎嗄茉绰?lián)合供電及軟開關(guān)直-直變換器。 翁曉光(1973- ) 女，江蘇南京人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

定稿日期: 2015-12-23