一种新型低成本双极型组合转换器设计

2016-12-23王磊，丁燕

电子器件 2016年6期

关键词：电感器单极双极

王磊，丁燕

（黄河水利职业技术学院自动化工程系，河南开封475004）

一种新型低成本双极型组合转换器设计

王磊*，丁燕

（黄河水利职业技术学院自动化工程系，河南开封475004）

为了降低直流微电网DC-DC转换器的成本，提出了一种新型低压直流双极型组合转换器。相比传统的转换器，该双极型组合转换器采用新的拓扑结构，结合了单端初级电感转换器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk转换器，并且共享开关节点。该拓扑结构的主要优势在于不需要严格控制各种开关的同步性，并且控制终端连接到了地面，从而大大简化了栅级驱动的设计，降低了实现成本。不同的负载条件下对提出的转换器进行了性能测试验证，实验结果表明提出的转换器十分适用于直流微电网，即使在失衡情况下也能完成电压调节能力，实测转换效率均保持在84%与87%之间。

组合转换器；双极型直流网络；Cuk转换器；单端初级电感转换器

现代社会中计算机、日光灯或LED灯、家用电器、商业电器、工业电器等消费类设备，均需要直流电，并且根据现实供电情况，所有的直流负载均需要将可用的交流电转换成直流电［1］。通常情况下，大多数转换阶段都会使用低效率的整流器。

另一方面，大部分可再生能源装置以直流电的形式发电，需要电流转换器，以便使各自的输出满足不同的网络条件，然而DC-AC-DC功率转换阶段会造成大量能量损耗［2］。由于可以避免出现转换，在许多情况下，直流微电网成为了十分合理的解决方案。相比交流微电网，直流微电网有许多优势［3-4］：效率高、电力传输多、所需电线少、稳定性强、线路无电抗、无暂态稳定性问题、无电磁干扰以及线路电阻较低。

由于微电网具有上述优势，越来越多的网络带有该拓扑结构。最初，微电网用于大型数据中心，例如：在美国英特尔公司使用+/-200 V的双极型直流链。如今，其应用领域已扩展至低压（电压低于1 kV）下的直流分布式网络，其中包括分布式发电，原因在于双极型直流结构已经在效率方面证明了自身的优势［5-6］。

众所周知，由于采用脉冲宽度调制（PWM）技术，DC-DC转换器可以增加或减少直流电压的幅度，或者颠倒极性。开关DC-DC转换器作为重要的电力电子器件，广泛应用于各种领域［7-8］。多年来，已经有很多文献从不同的方面（电压增益、操作原理、电压和电流应力以及效率）对降压型、升压型和标准开关单元、降压升压单电感转换器、Cuk、SEPIC及Zeta转换器等多个传统的单电感DC-DC转换器进行了研究［9］。文献［10］也描述了这些基本转换器的组合，如升压降压级联型转换器和降压升压级联型转换器（带有两个开关的拓扑结构）、降压升压Zeta转换器、SEPIC升压转换器、Zeta反激式转换器。

本文结合单端初级转换器SEPIC（Single Ended Primary Inductance Converter）和Cuk转换器，提出了一种适用于低压双极型直流微电网的新型组合转换器。其主要优势在于，由于仅有一个开关，不需要强调开关的同步性。此外，控制终端连接到了地面，简化了栅级驱动的设计。研发出了实验样机，并且对其在不同负载条件下的性能进行了验证。实验结果表明，提出的组合转换器适用于双极型直流网络，并且具有3个方面优势：结构简单，因为仅使用了一个开关及少数有源元件；驱动器电路简单，因为只有一个可控开关，并且不需要分离；并且控制电路简单，因为仅使用一个控制器就可以对双极直流电压进行调节，可以有效降低实现成本。

1 典型的SEPIC和Cuk转换器

传统的SEPIC（见图1）和Cuk转换器（见图2）由两个电感器（L1和L2）、一个链电容器（C1）、一个开关（S1）及一个二极管（D）组成。Cuk是负输出转换器，而SEPIC是正输出转换器。SEPIC和Cuk转换器的结合能够生成两个输出，电压相同，但极性不同。可以为低压双极型直流微电网上的两个电极提供动力。因此，分别对每个拓扑结构的优势及劣势进行了分析。

图1 SEPIC转换器结构

图2 Cuk转换器结构

假设SEPIC和Cuk转换器无损耗，且相较于各自的直流分量，开关波动幅度较小，输入电压与输出电压之间的关系可在连续导通模式和不连续导通模式下获取。连续导通模式CCM（Continuous Conduction Mode）是指通过电感器的电流是连续的，而不连续导通模式DCM（Discontinuous Conduction Mode）是指通过电感器的电流是不连续的。由于效率高且转换器开关及无源元件实用，连续导通模式是首选。两种转换器提供了相同的转换关系式，如下所示：

占空比（D）是传导时间（TON）与开关周期（TS）之比。两种拓扑结构的特征非常相似：使用的元件数量相同，向电源开关提供的应力相同，并且效率相似。从解析的角度来看，Cuk和SEPIC的拓扑结构同样也非常相似。然而，在SEPIC转换器中，通过电容器C1的平均电压（VC1）等于输入电压（Vg），而在Cuk转换器中，电容器C1的电压等于输入电压加上输出电压（Vg+Vo）。因此，SEPIC转换器的电容器尺寸比Cuk转换器要小。在两种拓扑结构中，输入电流为非脉冲。另一方面，在Cuk转换器中输出电流为非脉冲，而在SEPIC转换器中输出电流为脉冲。

2 提出的组合转换器设计

在直流微电网中，能量可通过单根电缆、2根电缆甚至3根电缆进行传输，可考虑使用3种直流结构：单极型、双极型和同级型。在所有的拓扑结构中，使用频率最高的是双极型直流模型。双极型直流模型有2根电线（见图3）：一根正极电线，一根负极电线。总共有2个电压等级，所以故障状态下可以单极运行。相较于单极型直流链，该拓扑结构的技术复杂性较高、成本较大，但是具有以下优势：正常操作期间，通过回路的电流较小，所以功率损耗减少；当其中一条线路发生故障时，其它线路会继续正常运行；在传输功率相同的条件下，双极型直流结构的电流是单极型直流结构的一半；该拓扑结构允许存在2种不同的电压等级。当某些负载消耗了大功率时，这些优势较明显，因为减少了电流消耗。

另一方面，某些可再生能源装置会以直流电的方式发电，所以需要将DC-DC转换器连接至合适的网络条件。对于双极型直流结构［6］，这些装置会使用2个或4个可控开关，这取决于转换器是半桥式还是全桥式。

图3 双极型直流结构

2.1 成本分析

通过比较SEPIC和Cuk的结构，可以看出两者的前端完全相同。2种转换器的电压转换比率相同，但极性相反。因此，提出了结合2种结构来实现一种双极型转换器，如图4所示。从中可看出，结合的两种结构会共享共同的接地基准开关，以及输入端的等效电感器。由图1～图3可以看出，文献［6，9］中的双极型直流结构至少需要2个开关和多个有源器件，且对开关的同步性要求较高，需要高精度的PWM控制器来具体实现，因此实现成本较高。然而，提出的结构仅使用了1个可控开关和少数有源元件就实现了双极型直流链，并且不需要强调各种开关的同步性，使用低端的PWM控制器就可以实现控制，如TL494。因此，实现成本得到降低。此外提出的组合转换器电路相比文献［6，9］，终端连接到了地面，简化了栅级驱动的实现，电路结构得到简化。

图4 提出的双极型组合转换器结构

在静态方式中，提出的双极型组合转换器电路结构如图4所示。当开关S转向ON时，发电机提供的能量就会储存在L1中（其中，L1是输入端两个电感器2L1的等效电感）；由于C1和C2会放电，电感器L2和L3同样也会储存能量。在间隔期间内，续流二极管（D1和D2）位于OFF，并且向负载提供的能量是由带有标记C的输出电容器提供。当开关S转向OFF时，电感器会通过续流二极管（D1和D2）再次向电容器C1和C2充电，并向负载提供电能。

3 实验结果与分析

3.1 实验设置

提出的双极型组合转换器实验样机如图5所示。其中包括一个提出的组合转换器、一个低成本的PWM控制器以及一个栅级驱动器电路。只利用一个绝缘栅双极性晶体管（IGBT），就可以对不同负载条件下转换器的电压调节能力进行验证。

图5 提出的转换器样机

控制器方是由性价比高的PWM控制器TL494组建。将控制器配置为能够生成30 kHz的开关频率，并且带有单端输出、软启动控制以及过压保护。TL494有两个误差放大器，内部误差放大器用于限制电源开关的过电流，另一个误差放大器用于调节SEPIC端的输出电压。Cuk端的输出电压未经调节；然而，根据前面分析可看出，Cuk端的绝对值与SEPIC端的相同。样机用于从可再生能源生成+/-200V dc的双极型输出。使用一个电池组对可再生能源进行模仿，电池组由8个串联的12 V电池组成，所以可以将96 V作为输入电压。

采用交叉调节技术［8］进行调节，在此技术中，控制器直接找到了其中一个输出电压，并且将其调节为预期值。由于Cuk端的输出电流为非脉冲，而SEPIC端的输出电流为脉冲，因此在研发的实验样机中，在SEPIC端（）完成调节动作，并且由于连接到了相同的开关接点，Cuk端（）会维持调节状态。

使用简易的PWM控制器有利于对两种输出进行调节。控制器生成的控制信号需要适应开关晶体管的参数。驱动器电路就是基于此目的而设计的。隔离栅双极晶体管的栅电容相当大，必须对其进行充电并超过阈值电压。栅级驱动器电路提供的输出电流较高，可在要求的时间内对栅电容进行充电。

从图4可知，可在器件应力、低输入纹波以及磁性元件大小等方面对提出的转换器的性能进行评估［10］。本文假定提出的转换器在CCM模式下运行。表1总结了上文提及的性能。注意：SEPIC端需要通过电感器L2的电流较大，此外，Cuk端需要通过电容器C2的电压较大。为了获取较高的额定功率，电感器L1与开关可以并联运行。

其中，

表1 提出的转换器性能参数

3.2 测试结果与分析

在不同的负载条件下对实验样机进行了两次测试。两次测试中正输出电流（通道C1：500 mA/div，1 A偏移）；双极输出（通道C2：100 V/div，-100 Voffset）.）；正输出电压（通道C3：100 V/div，-100 Voffset）.）；负输出电压（通道C4：100 V/div，-100 Voffset）.）。单极负载测试中一个负载连接至正输出，其它负载连接至负输出（两个单极负载）。在某一点上，连接至正输出的负载会将自身的电阻减少一半。双极负载测试中一个负载实现连接正输出与负输（双极负载）。此处，通过连接正输出上的附加荷载修改设置。表2是实现提出的转换器中使用的元件参数。

表2 用于提出转换器的元件参数

DC-DC转换器的转换效率可表示为如下形式：

式中，P1、P2，…，Pn表示各部分损耗功率占输入功率的百分比。DC-DC转换器中的损耗主要分为2个方面：（1）传导性损耗，由Pc=×RDSon计算得到，其中Iload表示负载电流，RDSon为MOSFET的导通电阻；（2）动态或者开关损耗，Pq=1/2×Iload×Vin×fs(tr+tf)，其中Vin为输入电压，tr和tf是上升和下降时间，fs是转换器的开关频率。其他损耗可以忽略不计［11］。

第1种情况将两个平衡负载连接至转换器输出，其中在正输出上的负载为0.65 A，另一个负载连接至负输出。转换器提供的功率为300 W，通过式（8）可得效率约为86.1%。在某一点上，连接至正输出的负载会将自身的电阻减少一半。因此，输出转换器的负载就会失衡。正输出上的平均电流为1 A，而负输出上的平均电流为0.65 A。总功率为450 W，并且效率降至84.5%。

图6（a）是连接至单极负载时的输出电流响应及输出电压波形。电压不会发生变化，会一直等于这个数值。图6（b）是连接至正输出的负载从0.65 A到1 A的转变。可观察出，负载环流引起零输出。输出电压就是各自的运行值。

在第2种情况下，双极负载处于正输出与负输出之间。负载的平均电流为0.35 A。对于此负载，转换器的转换功率为180 W，效率约为87.9%。将单极负载连接至正输出之后，平均电流为0.65 A。因此，正输出的电流变为1.1 A。在这种情况下，转换功率为330 W，实测效率约为84.8%。从图7（a）观察出，当负载发生变化时，输出电压会保持不变。负输出电压表现为振动较小，数值可忽略不计。图7（b）是双极负载保持连接状态，而单极负载却断开。

图6 平衡和失衡负载连接的实验结果

图7 双极负载和双极负载及单极负载的实验结果

由图6和图7可以看出，即使负载变动失衡，转换器也能够适应各种负载变动。两个测试中的实测效率均保持在84%与87%之间。

4 结论

本文提出了一种新型低压直流双极型组合转换器，适用于低压直流微电网。该双极型组合转换器采用新的组合拓扑结构，包括SEPIC和Cuk转换器。提出的组合结构会共享共同的接地基准开关和输入端的等效电感器。在不同的负载条件下对其进行了验证。实验结果表明，提出的转换器即使在失衡情况下也能完成电压调节能力，有效降低了转换器的实现成本。

［1］Takai N，Okada T，Takahashi K，et al.Single Inductor Bipolar Outputs DC-DC Converter with Current Mode Control Circuit［J］. Key Engineering Materials，2013，534：220-226.

［2］Takai N，Okada T，Takahashi K，et al.Single Inductor Bipolar Outputs DC-DC Converter with Current Mode Control Circuit［J］. Key Engineering Materials，2013，534：220-226.

［3］宋绮钰.一种基于双极型的大电流LDO稳压器设计［D］.辽宁大学，2013.

［4］赵国华.一种DC-DC buck/boost转换器的设计［D］.湖北大学，2013.

［5］刘从.一款反激式峰值电流模PWM AC-DC转换器XD1230的设计［D］.西安：西安电子科技大学，2013.

［6］薛英林，徐政.适用于架空线路输电的新型双极MMC-HVDC拓扑［J］.高电压技术，2013（2）：481-487.

［7］杨新龙，窦满峰，张振华.双极型PWM调制方式对无刷直流电机换相转矩脉动的影响［J］.微电机，2013（5）：36-39.

［8］药韬，温家良，李金元，等.基于IGBT串联技术的混合式高压直流断路器方案［J］.电网技术，2015（9）：2484-2489.

［9］Patra P，Patra A，Misra N.A Single-Inductor Multiple-Output Switcher with Simultaneous Buck，Boost，and Inverted Outputs［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（4）：1936-1951.

［10］Lin B R，Hsieh F Y.Soft-Switching Zeta-Flyback Converter With a Buck-Boost Type of Active Clamp［J］.IEEE Transactions on In⁃dustrial Electronics，2007，54（5）：2813-2822.

［11］刘文昊.大电流同步整流Buck型DC/DC转换器的设计［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

王磊（1983-），男，汉族，河南开封人，硕士，讲师，主要研究方向为电子、通信、网络，wangleihn1983@sina.com；

丁燕（1983-），女，汉族，河南开封人，硕士，讲师，主要研究方向为电气、自动化。

A New Low Cost Bipolar Combined Converter

WANG Lei*，DING Yan
（Department of Automation Engineering，Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng He’nan 475004，China）

In order to reduce the cost of the DC-DC converter，a new type of low voltage DC bipolar combined con⁃verter is presented.Compared to the conventional converter，the combined converter uses a new structure which combines the single ended Primary Inductance Converter（SEPIC）and the Cuk converter.The switch node is shared by SEPIC and Cuk converter.The main advantage of this topology is that it does not need to strictly control the syn⁃chronization of all kinds of switches，and the control terminal is connected to the ground，which simplifies the de⁃sign of the gate level drivers and reduces the cost of implementation.The performance of the proposed converter is verified by different load conditions.The experimental results show that the proposed converter is very suitable for DC micro grid，even if the imbalance can also be accomplished by the voltage regulation capability，the conversion efficiency is maintained between 87%and 84%.

combined converter；bipolar DC network；Cuk converter；single ended primary inductor converter