一种新型有源调压变换器的实现*

2015-02-28胡建平李培强湖南高速铁路职业技术学院湖南衡阳4200湖南大学电气与信息工程学院长沙40082

电子器件 2015年6期

胡建平，李培强（.湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 4200；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 40082）

1 有源浮充结构

普通变换器（以Buck、Boost变换器为例）由于变压幅度受限制，如果能在普通变换器中增加一个能控制电压的浮充平台对输入或输出电压进行控制。这将大大提高变换器实现大变比电压转换的能力。图1为目前3种有源浮充结构的电路图［6-7］，图中的元件包括：储存电路电能的电压源电容Cf、高频有源开关Sf、非线性电感Lf和续流二极管VDf。浮充电路的功能就是利用电压源电容Cf将原电路中多余电源能量先行存储，再利用高频开关将电压源电容Cf中存储的能量通过Lf释放给负载。

图1 有源浮充平台电路

2 带有源浮充结构的变换器

2.1 结构

根据变换器的工作原理，将图1中所示电路与普通变换器的电路相结合，优化电路后可得到带有源浮充结构的变换器原理图，如图2所示。

由于图中所示的3种结构电路中所使用了完全相等的的元件，电路结构的相似性使得3种电路的电压增益也相同，都为M=D1D2（D1,D2分别为有源开关S1、Sf的稳态占空比）。所以本文只对其中一种结构即结构1进行重点研究。

图2 带有源浮充结构的调压变换器电路

2.2 原理

变换后的电路中用整流开关SR1和SR2代替了有源浮充电路中的续流二极管VD，假设电路的原始状态为持续导通；此时电路处于稳态，浮充电容Cf上电压稳定；开关S1和Sf采用移相方式控制，电路的点空比≤0.45；通过控制开关量S1、SR2、Sf、SR1的开断，在一个开关周期内可以得到3种工作状态，具体见图3。

图3 变换器电路工作状态

由于电路在稳态工作下工作，电感Lo、Lf两端的正伏秒值等于负伏秒值。电容Co、Cf两端的正安秒值等于负安秒值。［8］所以有

图4 有源浮充变换器四相交错并联电路

3 试验验证

为了验证新型变换器电路设计的有效性，应用电路试验软件Saber将新型变换器（见图4）与基本型变换器在相同参数下进行对比验证，具体参数如下：Vs=12 V，Vo=1.2 V，Lo=Lf=0.48 μH，fs=250 kHz，Cf=68 μF，Co=820 μF ，io=50 A 。

图5为两种变换器的电压应力波形图。从图形中可以看出，新型变换器中电源开关、电流开关应力峰值都只有6 V，而普通变换器为12 V。所以新开变换器的开关电压明显减少，功率损耗也减少，这将有益于电路中开关管的选配（电压等级越底越好），从而提高了变换器的工作效率，降低了生产成本。图6为两种变换器中电感、电容电流纹波对比图。从图中波形可以看出，新型变换器的电流波形与普通型相比只有其一半左右。因些新型变换器的低输出电流纹波能有效减小开关和电感损耗（由于降低了电感电流峰值和有效值RMS的缘故），提高效率。同时，可以减少对输出滤波电容的数量要求，有利于减小变换器体积，提高整机功率密度。