输入串联输出并联全桥变换器强制负载法均压策略

李 超，牛伟亮，周朝阳，邱瑞昌

（北京交通大学 电气工程学院 北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京100044）

随着电力电子技术的发展，开关电源的应用场合日益广泛。然而功率开关器件的现状限制了开关电源在高压大功率场合的应用。目前主流的开关器件存在着电压和电流无法兼顾的矛盾，如：高压MOSFET耐压高，但是通态电阻大，通态损耗高；IGBT存在电流拖尾等[1]。模块化、集成化的变换器系统为解决这一矛盾提供了思路。对于高输入电压、高输出电流的全桥变换器（简称FB，full bridge）往往采用输入串联输出并联（简称 ISOP，input series output parallel）的方法以降低输入器件（斩波器）的电压应力和输出器件（整流二极管）的电流应力[2-5]。文献[6]提出了ISOP全桥变换器还能通过采用交错控制的方法减小电流纹波，降低滤波参数。

然而ISOP全桥变换器存在输入侧不均压和输出侧不均流的问题。目前，对于这一问题及其解决方案的研究十分广泛。文献[1]基于占空比丢失分析了产生输入侧电压不均的原因，并提出了一种输入电压环结合输出双电流环实现均压均流的控制策略，但并没有从本质上分析产生输出侧电流不均的原因，以及输出均流的实现条件，所提控制策略十分复杂，在实际运用中，多环控制的参数整定对于工程设计人员提出了不小的考验。文献[6]分析了输入电容电压稳定对输出均流的影响，得出只要系统稳定，输出必然均流的结论，并基于此提出了输入电压环实现系统均压均流的方法，但是这种分析基于稳态条件，其稳定性分析将全桥变换器简化为二阶系统，没有分析输入滤波器（尤其是输入电容）对系统稳定性的影响，且没有分析产生输入均压问题的根本原因和负载电流对输入均压、输出均流的影响。

本文研究了产生输入均压和输出均流问题的本质，全面分析了功率器件（开关管，整流二极管）饱和压降不一致、占空比损失不一致等因素与系统输入不均压的关系.基于这一分析，本文进一步探究了负载电流对输入不均压的影响，提出了通过均压电阻强制给定负载的方法实现系统输入均压，并且给出了均压电阻参数的整定方法。最后，搭建了一台输入1 100 V，输出126 V，30 kW的样机系统，对本文所提方法进行了验证。

1 输出均流分析

本文研究的对象为ISOP全桥变换器，其主拓扑如图1所示，输出侧采用单输出滤波器模式，即各模块公用输出滤波器，以节省变换器的体积和重量[7]。

图1 ISOP全桥变换器拓扑Fig.1 The topology of ISOP-FB converter

为了便于功率分析，将图1简化成图2所示模型，根据功率守恒，可得：

其中，P1为模块1的输入功率，Ploss1为模块1的功率损耗 （由开关器件的导通压降等引起），P2为模块2的输入功率，Ploss2为模块2的功率损耗。

图2 简化模型Fig.2 The simplified model

由于轻载时，电流本来就很低，即使电流全部流过单一模块，器件的电流应力也很低，轻载时的输出电流问题的研究没有意义，因此本文对于输出电流问题的研究基于重载的条件。在重载条件下，器件导通压降及吸收损耗等引起的功率损失远小于系统功率，因此，式（1）简化为：

对于直流系统，稳态时，电容的平均电流为0，所以有：

将式（3）代入式（2），得：

由此可知，在重载条件下，实现输出均流的充要条件是实现输出均压。

2 输出均压分析

将式（3）代入式（1）得：

由此可知，引起输入均压问题的根本原因是功率的不一致。

将引起变换器两模块功率不一致的原因分为如下几类：1）由器件管压降等引起的电压损失不一致；2）由开关管导通延时等引起的占空比损失不一致；3）与负载电流存在正比例关系的其它功率损失。由此建立如图3所示的等效电路。

图3 等效电路Fig.3 The equivalent circuit

图3 中，R0表示负载电阻经过等效变换得到的等效电阻，Us1、Us2表示开关器件（IGBT和整流二极管）饱和压降经过等效变换得到的电压降，Pd1、Pd2表示由于上下模块占空比不一致导致的功率不一致，它实际上不是一种功率损失，但是为了便于分析，将其等效为功率损失计算。Pl1、Pl2表示其它与负载电流存在正比例关系的功率损失。下面逐一分析它们对系统均压的影响。为了便于分析，每分析一类因素时，将其它两类忽略。

1）开关器件导通压降不一致

每组模块每次开通2个IGBT和1个二极管，所以：

其中n为变压器变比（本系统为3.4:1）。UCE表示三极管饱和压降，Uon表示二极管道统压降。工程上，IGBT和二极管往往采用同一型号，同一批次生产。其管压降之差往往不超过0.1 V。所以：

根据稳态时，输入电容的平均电流为0，所以有：

将式（7）代入式（8），得△Uc=△Us≤0.54 V

由此可知，由饱和压降引起的电压不一致引起的输入电压不均远小于输入电压1 500 V，对于器件电压应力的影响可忽略不计。

2）与负载电流成正比关系的功率损失

这类损失包括线路寄生参数、开关损耗等引起的损失，设：

将式（9）代入式（5）得：

由此可知，这类功率损失引起的输入不均压与λ的差值有关，差值越大，输入不均压越严重。实际上，λ1、λ2值本身就很小，对输入均压影响不大；而且这类不均压问题一旦系统确定，在负载等外部条件发生变化时也会保持相对稳定，因此工程上可以通过一定的补偿来解决。

3）占空比损失不一致

对于直流系统，LC滤波器不产生电压降，因此当系统工作于连续电流工况时，占空比d保持恒定，而当系统工作于电流断续工况时，占空比d将随着负载电流的大小而变化，负载越低，占空比越小。所以，对于占空比损失不一致造成的输入不均压问题，应当分成电流连续和电流断续工况分别分析。

①电流连续时

电流连续时，等效负载电阻有：

由于电流连续时，占空比保持恒定，设占空比不一致程度：

又稳态时，输入电容电压与等效负载电阻存在如下关系：

将式（11）、（12）代入式（13），并约去高阶小量（α2），得：

由此可以看出，当系统工作在电流连续状态时，由于α很小，对输入均压影响很小，同样的，这类不均压也是确定的，可以通过适当的补偿来解决。

②电流断续时

电流断续时，上下模块功率分别为：

其中，TS表示开关周期。 将式（5）代入式（15）得：

化简得：

对于一个确定的，没有均压控制环的ISOP直流系统，控制器给上下模块发送相同的占空比，但是由于上下模块的导通延时、关断延时的不一致，上下模块的实际占空比产生了差异。当负载较低时，占空比也随之降低（断续情况下），此时实际占空比差异凸显出来，表现为增大，根据式（17），则UC1和UC2的差异增大。由此得出一个结论，即系统输入不均压随着负载电流的降低而增大。由此可知，引入均压电阻强制增加输入电流的方法来解决系统输入不均压的方法是可行的。只要合理配置均压电阻，当负载电流较高时，由负载电流起主要作用，系统可以实现均压。当负载电流较低时，由均压电阻起主要作用，强制均压。

3 均压电阻参数整定

引入均压电阻后，系统等效电路如图4所示。

图4 引入均压电阻的等效电路Fig.4 The equivalent circuit with equalizing resistance

由此可得上下模块的功率分别为：

其中，Ra即为均压电阻。设：

已知：

将式（5）、（19）、（21）代入式（18），并化简得：

其中：

由于计算过程复杂，直接给出结论，当：

时，上下模块输入电压差△取得最大值：

由式（25）可知，均压电阻越小，A越大，△max越小，也即：减小均压电阻阻值可以抑制输入不均压。这进一步验证本文所提均压方法在理论上是可行的。然而，过小的均压电阻会带来较大功率消耗，从而降低系统的效率。工程上，应当给出系统允许的模块最大输入电压差△max，如2%的输入电压，再通过脉冲实验，测得上下模块占空比之差，即可根据式（25）、（23）求得相应的均压电阻阻值。

4 仿真验证

为了验证采用均压电阻强制均压方法的正确性，对所述

全桥变换器引入强制均压电阻，并进行仿真。仿真参数为：输入电压Uin为1 500 V，输出电压Uo为126 V，变压器变比n为3.4:1，电感L为0.1 mH，开关频率为5 kHz，两模块占空比之差设为均压电阻阻值选为0.2%（0.4 μs），均压电阻阻值选为10 kΩ。图5 为仿真波形。

仿真结果表明，采用强制负载均压法无论在重载工况还是轻载工况，均压效果都十分理想。

图5 仿真波形Fig.5 The simulation waveform

5 实验结果

为了进一步验证本文所提强制负载均压法的有效性及参数整定方法的正确性，搭建了一台输入1 100 V，输出126 V，功率为30 kW的ISOP全桥直流变换器系统。

图6 实验波形Fig.6 The experimental waveforms

图6 所示波形，是在实验过程中发生了负载突变，从而导致了输入电压发生了突变，由图6可以看出，在负载变化的过程中，输入电容电压能够迅速跟踪输入总电压的1/2，均压效果十分理想。

6 结束语

本文探究了产生输入均压问题的本质：即功率不均（如占空比损失不一致引起的功率不均）导致各模块的输入不均压；研究了ISOP系统输入均压和输出均流的关系，得出结论：在稳态下，只要实现了输入均压，即可实现输出均流。本文首次全面、量化地分析了功率器件（开关管，整流二极管）饱和压降不一致、占空比损失不一致等对系统输入不均压的影响，得出结论：重载时，这些因素都不会产生值得关注的系统输入不均压，轻载时占空比损失是产生输入不均压的主要原因。基于这一结论，提出了强制负载均压法实现ISOP系统的输入均压，进而分析并得出了强制均压电阻参数与系统输入均压程度的关系公式。由此，得出了强制均压电阻参数整定方法。为工程中采用本文所提方法实现输入均压提供了依据。仿真和实验结果验证了本文所提方法的正确性和有效性。

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