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摘要：由傳統(tǒng)的化學(xué)電池、光伏陣列及燃料電池等供電的變換器在分布式電源系統(tǒng)、UPS、航空二次電源和電動汽車等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。變換器的主電路有單級、兩級串聯(lián)和三級串聯(lián)三種結(jié)構(gòu)。DC-DC變換器只需進(jìn)行一次電能變換，結(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)少，效率高。但為了實現(xiàn)輸入輸出的電壓匹配與電氣隔離，本文研究就先進(jìn)數(shù)字控制技術(shù)在DC-DC變換器中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字控制技術(shù)；DC-DC變換器；單級式

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0218-02

1 DC-DC變換器的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種分類方式：1）按中間直流鏈性質(zhì)可分為電壓型變換器和電流型變換器；2）按輸出交流電壓相數(shù)可分為單相變換器和三相變換器；3）按隔離類型可分為無變壓器隔離變換器、帶工頻變壓器隔離變換器和帶高頻變壓器隔離變換器。傳統(tǒng)的單級式變換器一方面工頻變壓器體積和重量大，使得系統(tǒng)的功率密度大為降低，且會造成較大的噪聲污染，損耗較大；另一方面，當(dāng)直流源的輸入電壓寬范圍波動時，因變壓器變比大而導(dǎo)致副邊的開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力高、不便選型。

三級結(jié)構(gòu)變換器采用的是DC-DC+DC-DC+DC-AC方案，一般用在需要高頻隔離的場合，一種類型的中間級DC-DC電路采用的是滿占空比不調(diào)制的軟開關(guān)高頻隔離電路（如移相全橋電路或全橋LLC諧振電路）；另一種準(zhǔn)三級機構(gòu)中間的DC-DC電路功能是將直流電壓變換成全波電壓，再由后級DC-AC做工頻切換展開成正弦波電壓。三級結(jié)構(gòu)變換器因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜而應(yīng)用受到局限。所以，最廣泛應(yīng)用的就是DC-DC+DC-AC的數(shù)字控制變換器。加入的DC-DC級變換器就是為了省去笨重的工頻變壓器，減小變換器的體積和重量，提高功率密度和整體變換效率。

目前28、42V等低壓直流電源仍廣泛應(yīng)用于交通和電力系統(tǒng)中，如作為新能源、飛機及電動汽車等分布式發(fā)電系統(tǒng)的直流電源。為了獲得負(fù)載所需115或220V高壓交流電，在低壓輸入直流源和變換器之間加入一級DC-DC變換器，其作用為：（1）用于完成變換器輸入輸出之間的電壓匹配；（2）用于實現(xiàn)電氣隔離，保證變換器的安全可靠運行，減小電磁干擾。而后級DC-AC變換器則用于完成直流到交流轉(zhuǎn)換并給終端負(fù)載供電。數(shù)字控制變換器中間直流母線環(huán)節(jié)存在電解電容，進(jìn)行功率解耦，因此，數(shù)字控制變換器的前后級可以獨立控制。如今數(shù)字控制變換器已廣泛應(yīng)用于航空靜止變流器、車載逆變電源、光伏并網(wǎng)變換器等。

2 先進(jìn)數(shù)字技術(shù)在DC-DC變換器中的應(yīng)用

由于中間直流鏈母線電容的存在，將先進(jìn)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到DC-DC變換器中來，可以實現(xiàn)前后級的功率解耦，因此，前級DC-DC和后級DC-AC之間相互獨立控制；對于兩級式的光伏并網(wǎng)變換器，前級可用于實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點跟蹤（MPPT）、電壓升壓等功能，后級可用于實現(xiàn)中間直流母線穩(wěn)壓、變換器輸出測進(jìn)網(wǎng)電流控制以及孤島效應(yīng)檢測等功能。

2.1 單端正激電路設(shè)計

單端正激電路是在BUCK降壓轉(zhuǎn)換器上增加一個隔離變壓器而構(gòu)建的。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點。它被廣泛應(yīng)用于中小型功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。但是這個電路也有一些缺點：（1）核心單向磁化變壓器，必須重置為防止磁芯飽和，因此，需要額外的復(fù)位電路使磁芯復(fù)位變壓器；（2）變壓器利用率低，開關(guān)將輸入電壓，大約兩倍低的輸入情況下的唯一的；（3）開關(guān)的占空比小于0.5；（4）添加到變壓器的繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與變壓器的技術(shù)水平也會影響電路的性能。

2.2 單端反激電路設(shè)計

單端反激電路可以看成是帶隔離變壓器的Buck/Boost變換器，其電路拓?fù)渑c單端正激電路相似，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力也相同，只是變壓器的接法不同。反激電路中隔離變壓器起變壓器和儲能電感的雙重作用，變壓器磁芯會產(chǎn)生直流偏磁，在設(shè)計變壓器時必須要有氣隙以防止磁芯飽和，因此變壓器的漏感較大，電感值相對較低，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時會產(chǎn)生很高的關(guān)斷電壓尖峰。此外，反激電路會引起二極管反向恢復(fù)、無線電干擾等問題。從輸出端看，反激式電路是電流源，因此電路不能空載運行。該電路結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件少，適用于低壓輸入多輸出場合。

2.3 雙管正激電路設(shè)計

雙管正激電路結(jié)構(gòu)簡潔，利用兩個二極管提供勵磁電流回路，實現(xiàn)磁芯磁復(fù)位，因此無需磁復(fù)位電路，勵磁能量回饋給電源，損耗相對減少了。開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力都不會超過最大直流輸入電壓，電壓應(yīng)力小，因此功率器件可選擇耐壓值較低的功率管。為了保證磁芯能可靠的磁復(fù)位，開關(guān)管的占空比要小于0.5。與單端正激電路相比，雙管正激電路不存在復(fù)雜的磁復(fù)位電路，這有利于簡化電路和變壓器的設(shè)計，但變壓器工作于磁化曲線的第一象限，仍是單向磁化，鐵芯利用率低。該電路適用于高壓輸入中大功率場合。

2.4 推挽電路設(shè)計

推挽電結(jié)構(gòu)簡單，可以看成是兩個完全對稱的單端正激式變換器的組合。因此，變壓器磁芯是雙向磁化，相同磁芯尺寸，推挽電路能比正激式電路輸出更大的功率。由于變壓器存在潛在的直流偏磁問題，因此推挽電路必須要有良好的對稱性以防止磁芯的直流偏磁飽和。此外，變壓器漏感能量無釋放回路，這將導(dǎo)致開關(guān)管須承受超過兩倍的電源電壓，使得開關(guān)管的電壓應(yīng)力大，電壓尖峰高。因此推挽式電路一般適用于低電壓輸入的中小功率場合。

2.5 半橋電路設(shè)計

半橋變換器變壓器的磁心工作于磁滯回線的第一、三象限，鐵芯雙向磁化，利用率高。由于初級可能存在直流分量，磁通將繼續(xù)增加沿磁滯回線，直到磁芯飽和，電源管損壞為止。為了防止磁通不平衡，串聯(lián)電容器在主隔板中的小值。半橋變換器沒有問題，像單端正激、推挽電路，故障漏峰，由于開關(guān)管并聯(lián)的二極管開關(guān)將承受的直流輸入電壓的峰值電壓鉗和泄漏，儲存能量回輸入功率泄漏，而不是損失的電阻損耗緩沖電路。而在推拉式前向電路中開關(guān)的最大電壓為直流輸入電壓的2倍，因此具有低開關(guān)電壓應(yīng)力的半橋式轉(zhuǎn)換器。當(dāng)開關(guān)打開時，變壓器初級側(cè)只有一半的電源電壓，因此轉(zhuǎn)換器一般適用于在高電壓輸入的電源應(yīng)用。

2.6 全橋電路設(shè)計

全橋變換器最主要的優(yōu)點是，其主要應(yīng)用振幅正負(fù)在Uin的方波電壓和正負(fù)Uin / 2半橋變換器，但開關(guān)關(guān)斷電壓與半橋變換器相同，等于最大輸入直流電壓，低電壓應(yīng)力。因此，管在相同的峰值電流和電壓條件的開關(guān)中，輸出功率是全橋變換器的兩倍半橋變換器。全橋變換器的鐵芯也雙向磁化，利用率高，軟開關(guān)的工作模式容易實現(xiàn)。由于開關(guān)管的低電壓應(yīng)力低，因此，在電路中可以采用價格較低的雙極型晶體管和場效應(yīng)管。但全橋變換器功率器件較多，控制及驅(qū)動較復(fù)雜，而且存在直通現(xiàn)象。雖然全橋變換器的磁通不平衡問題沒有半橋的嚴(yán)重，但仍可能發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。全橋變換器比較適合中大功率場合。

2.7 Boost升壓電路設(shè)計

Boost升壓電路的特點是：1）結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；2）輸入電流連續(xù)時，電源電磁干擾較??；3）開關(guān)管的發(fā)射極接地，因此，驅(qū)動電路相對簡單；4）控制環(huán)節(jié)設(shè)計容易，電路的效率較高；5）對于采用Boost電路作為前級的兩級式光伏并網(wǎng)變換器，其電路中的二極管還可以起到防止網(wǎng)側(cè)能量反灌入光伏陣列的作用。從變換器效率的角度看，Boost電路的效率是最高的，其效率大于隔離式DC-DC變換器，成本也更低。效率是數(shù)字控制變換器的一個重要指標(biāo)，本課題研究的變換器前級需要升壓功能，再結(jié)合各直直變換器的優(yōu)缺點，確定選用Boost電路作為前級DC-DC變換器。

3 結(jié)語

綜上所述，將先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用到DC-DC變換器中來的優(yōu)點有：1）后級DC-DC采用工頻開關(guān)，開關(guān)損耗很小，主要是導(dǎo)通損耗，可以實現(xiàn)效率的提高；2）此類拓?fù)涞脑骷^少，電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以提高系統(tǒng)的可靠性。這類變換器也存在缺點，其缺點在于：1）因為后級周波變換器只起一個倒相作用，所以對于兩級式光伏并網(wǎng)變換器，最大功率點跟蹤（MPPT）、電壓升壓、進(jìn)網(wǎng)電流控制等一系列功能都須在前級變換器完成，控制較為復(fù)雜；2）在設(shè)計變換器時須考慮到峰值功率是輸出功率的兩倍，器件承受的應(yīng)力加大；3）若數(shù)字控制變換器的前級輸入為光伏組件，則電池板側(cè)需要并聯(lián)大容量的電解電容用于功率解耦，這樣不利于變換器功率密度的提高。

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