双向耦合电感DC-DC开关变换器与优化设计分析

徐玉珍，郭晓君，林维明

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108）

双向耦合电感DC-DC开关变换器与优化设计分析

徐玉珍，郭晓君，林维明

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108）

本文详细分析了双向耦合电感DC-DC开关变换器电路拓扑的工作原理及其电路特性;建立了该电路拓扑的损耗模型，并对其中的耦合电感匝比λ进行了优化设计。通过MATHCAD仿真软件的分析和实验样机的结果验证，证明了文中所提出的双向耦合电感DC-DC开关变换器电路拓扑的可行性和耦合电感匝比λ优化的正确性;该电路拓扑克服了传统双向BUCK/BOOST电路拓扑变换率较小的局限性，具有的更优越的效率特性;合理选择抽头电感的匝比λ对抽头电感双向BUCK/BOOST具有重要意义。

耦合电感双向直流开关变换器;损耗模型;高效率;匝比优化

1 前言

为减小系统的体积重量，节约成本，在电池的充放电系统、电动汽车、UPS系统、太阳能发电系统、航空电源系统的场合，双向DC-DC变换器获得了广泛的应用［1-5］。多年来，隔离型中、大功率 BUCK和BOOST电路得到深入的研究［6-9］;传统非隔离型的双向DC-DC因无法实现宽输入输出变比，其应用范围受到限制。而在新型能源等应用场合中，低压侧为低压大电流，输入输出为宽变比，无需电气隔离，采用非隔离型拓扑具有成本和效率优势。

为扩大非隔离型双向DC-DC的变比，拓展其应用领域，本文将耦合电感引入到非隔离双向DC-DC变换器，提出新型耦合电感双向BUCK/BOOST电路(简称为 TI-B-BUCK/BOOST(Tapped-Inductor Bi-directional BUCK/BOOST）），并对耦合电感匝比进行优化，实现电压变比拓宽和效率提升。

2 原理与特性

新型TI-B-BUCK/BOOST电路如图1所示。

图中VBUS为高压直流母线电压，VBAT为低压侧电池电压，S1、S2为功率MOSFET，漏源反并超快恢复二极管D1、D2，电感L1的匝数为n1，L2的匝数为n2，匝比λ为(n1+n2）:n1。电路工作在充电或放电模式。

图1 耦合电感双向BUCK/BOOSTFig.1 Tapped-inductor bi-directional BUCK/BOOST

2.1 放电模式

该模式下，CCM模式时电路原理图以及工作波形如图2所示。

电路为耦合电感 BOOST，(简称 TI-BOOST(Tapped-Inductor BOOST）），能量从 VBAT向 VBUS传输。在0至t0期间，S1开通，D2截止，VBAT通过S1给L1激磁，激磁电流iLm线性增加，负载电流由输出C1提供;在t0至t1期间，S1关断，续流二极管D2导通，激磁电流iLm按照抽头电感的匝比关系耦合成去磁电流 iL2，给负载和输出电容提供能量。TI-BOOST的输入与输出电压关系为:

图2 TI-BOOST原理图、工作波形Fig.2 Principle and waveform of TI-BOOST

2.2 充电模式

该模式下，CCM模式时电路原理图以及工作波形如图3所示。

电路为耦合电感同步整流BUCK，简称TI-SRBUCK(Tapped-InductorSynchronousRectification BUCK）。能量从 VBUS流向 VBAT。0至 t0时，S2开通，S1关断，VBUS通过S2对耦合电感激磁，同时向负载提供能量;t0至t1时，S1开通前，激磁电流iL2按照匝比关系耦合成去磁电流iLm，iLm通过D1续流;t1至t2时，S1开通后，D1上的电流转移到S1，电流iLm通过VBAT、S1续流;t2至t3时，S1关断，S2开通前，D1续流。TI-SR-BUCK输入与输出电压关系为:

图3 TI-SR-BUCK原理图、工作波形Fig.3 Schamtic and waveform of TI-SR-BUCK

采用TI-SR-BUCK可以有效拓宽占空比D1，提升效率［10，11］。

3 损耗模型与匝比优化选择

本文以放电模式TI-BOOST为分析对象，建立损耗模型，并对抽头电感的匝比λ进行优化选择。

3.1 损耗模型

在硬开关的条件下，由MOSFET、二极管引起的损耗较大，磁元件的损耗较小，约为输出功率的0.5%。本文将以功率器件的损耗总和作为衡量功率级电路效率的依据，比较 TI-BOOST与传统BOOST的效率。

功率MOSFET的损耗分为导通损耗 Pson和 开关损耗Psw［12］。二极管D2的损耗由正向导通产生的损耗PDon和反向恢复损耗PDrr两部分组成。因此总损耗为:

3.2 抽头匝比的优化选择

基于损耗模型，通过MATHCAD进行仿真，仿真参数如下:VBAT=2～4V，VBUS=24V，Io=0.2～3.2A，L1=30 μH，S1 为 IRF1405Z，D2 为MUR2020。仿真结果如图4所示，λ=1时为传统BOOST电路的损耗。当输入为3V保持不变，负载电流变化时损耗与匝比关系如图4(a）所示，随着匝比λ增加，功率半导体器件损耗先减小到最小值后再增加，当大到一定值后，TI-BOOST的损耗将大于传统BOOST的损耗;匝比λ取2～4时，TI-BOOST的功率器件总损耗最小，电路效率最高。在相同输出，不同输入电压时如图4(b），随着匝比的增加，损耗先减小到最小值后，再开始逐渐增大，最后，大于λ=1时的损耗。当匝比λ取2～4时，功率器件的总损耗最小，功率级电路效率最高。

图4 基于损耗模型仿真结果Fig.4 Simulation results of power loss model

分析仿真结果可知，当匝比从1开始增大时，占空比D1减小，开关管S1上电流有效值和峰值都增大，电压应力大大减小，S1上导通损耗增加，而开关损耗和输出电容损耗不断减少;在输入负载电流不变时，D1上的导通损耗保持不变，其反向恢复损耗增加;匝比λ变小时，S1的开关损耗和输出电容损耗的总减少量大于S1的导通损耗和D2反向恢复损耗的增加量，且损耗减少的速度大于增加的速度;当匝比增加到2～4之间时，功率器件总损耗为最小值;随着匝比进一步增加，S1导通损耗和D1反向恢复损耗不断增加，S1的开关损耗和输出电容损耗不断减少，但增加速度大于减小速度;当匝比大到一定程度时后，S1的导通损耗和D1反向恢复损耗的增加量大于S1开关损耗和输出电容损耗的总减少量，功率器件的总损耗将比传统BOOST大。

通过以上分析，可以得出:在输入输出为大变比时，选择合适的匝比，充电模式TI-BOOST电路的效率比传统BOOST高;基于电路结构的对偶性耦合电感的相同作用机理，可得TI-B-BUCK/BOOST比传统的双向BUCK/BOOST具有更好效率;耦合电感匝比优化选择值为2～4。

4 样机与实验结果

TI-B-BUCK/BOOST实验样机主要参数Lm=30 μH，VBAT=2～4V，VBUS=20～24V，最大功率 Pmax=60 W(Pmax:放电模式时为输入功率，充电模式时为输出功率）;样机中选择匝比 λ =1、2、3、4、5，分别进行实验;S1、S2选用 IRF1405z;D1、D2用MUR2020。实验结果分析如下:

在硬开关条件下，测得的效率曲线如图5所示，TI-B-BUCK/BOOST比传统双向BUCK/BOOST具有更高的效率。轻载时，两者均具有良好的效率，但随着负载的增加，两者的效率均下降。充电模式如图5(a），匝比为3时，效率最高，平均效率在85%以上，比传统SR-BUCK平均提升了3.5%;匝比为2和4的效率相当，均小于匝比为3时的效率，平均相差1%以上;匝比为5时，效率明显变差，略高于传统SR-BUCK。在放电模式下，如图5(b），当匝比为4时，具有最佳的效率，平均效率接近86%，比传统BOOST提升4%。匝比为3，效率略小于最佳匝比时的效率。

图5 不同匝比时TI-B-BUCK/BOOST效率Fig.5 Efficiency of TI-B-BUCK/BOOST in different turn ratio

实验结果、理论分析和仿真结果均一致，证明在大变比时，本文提出的耦合电感双向BUCK/BOOST比传统双向BUCK/BOOST具有更高的效率;合理选择抽头电感的匝比λ对抽头电感双向BUCK/BOOST具有重要意义;基于损耗模型得到优化匝比值2～4具有重要的理论和应用指导价值。

5 结论

本文提出了耦合电感双向BUCK/BOOST电路，克服了非隔离型双向DC-DC变比小的不足，解决了非隔离型双向DC-DC在大变比时效率低的问题;同时经过耦合电感匝比优化选择，进一步提升了TI-BBUCK/BOOST的效率。本文提出的电路拓扑丰富了非隔离型双向DC-DC拓扑类型，可应用于无需隔离、大变比、低压大电流、能量双向流动的应用场合。

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Novel tapped-inductor bi-directional DC-DC converter and optimum design

XU Yu-zhen，GUO Xiao-jun，LIN Wei-ming
(College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

A novel tapped-inductor bi-directional(TI-B）DC-DC converters is analyzed in this paper，which can overcome the shortage of non-isolated bi-directional DC-DC(BDC）that its transfer ratio is restricted in a small range.This paper analyzes the principle and characteristics of TI-B-BUCK/BOOST in detail.Then，a power loss model of the new topology is established and the turn ratio of tapped-inductor is optimized.Simulation based on MATHCAD and the experiment on demo board testify that TI-B-BUCK/BOOST widely extends the transfer ratio of non-isolated BDC and its efficiency is much higher than conventional bi-directional BUCK/BOOST.

bi-directional DC-DC converters;dissipation model;efficiency improvement;turn ratio optimization

TM46

A

1003-3076(2010）03-0012-04

2009-10-12

国家自然科学基金资助项目(60572016）;福建省教育厅基金资助项目(JB07005）

徐玉珍(1975-），女，江西籍，讲师，博士研究生，研究方向电力电子变流技术;

林维明(1964-），男，福建籍，教授/博导，研究方向LED电源及其控制技术、电力电子变流技术。