先进数字控制技术在DC—DC变换器中的应用

邓利红

摘要：由传统的化学电池、光伏阵列及燃料电池等供电的变换器在分布式电源系统、UPS、航空二次电源和电动汽车等领域发挥着重要的作用。变换器的主电路有单级、两级串联和三级串联三种结构。DC-DC变换器只需进行一次电能变换，结构简单，元器件数少，效率高。但为了实现输入输出的电压匹配与电气隔离，本文研究就先进数字控制技术在DC-DC变换器中的应用进行了研究。

关键词：数字控制技术；DC-DC变换器；单级式

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0218-02

1 DC-DC变换器的应用现状

现阶段变换器拓扑结构有多种分类方式：1）按中间直流链性质可分为电压型变换器和电流型变换器；2）按输出交流电压相数可分为单相变换器和三相变换器；3）按隔离类型可分为无变压器隔离变换器、带工频变压器隔离变换器和带高频变压器隔离变换器。传统的单级式变换器一方面工频变压器体积和重量大，使得系统的功率密度大为降低，且会造成较大的噪声污染，损耗较大；另一方面，当直流源的输入电压宽范围波动时，因变压器变比大而导致副边的开关管电压、电流应力高、不便选型。

三级结构变换器采用的是DC-DC+DC-DC+DC-AC方案，一般用在需要高频隔离的场合，一种类型的中间级DC-DC电路采用的是满占空比不调制的软开关高频隔离电路（如移相全桥电路或全桥LLC谐振电路）；另一种准三级机构中间的DC-DC电路功能是将直流电压变换成全波电压，再由后级DC-AC做工频切换展开成正弦波电压。三级结构变换器因为结构复杂而应用受到局限。所以，最广泛应用的就是DC-DC+DC-AC的数字控制变换器。加入的DC-DC级变换器就是为了省去笨重的工频变压器，减小变换器的体积和重量，提高功率密度和整体变换效率。

目前28、42V等低压直流电源仍广泛应用于交通和电力系统中，如作为新能源、飞机及电动汽车等分布式发电系统的直流电源。为了获得负载所需115或220V高压交流电，在低压输入直流源和变换器之间加入一级DC-DC变换器，其作用为：（1）用于完成变换器输入输出之间的电压匹配；（2）用于实现电气隔离，保证变换器的安全可靠运行，减小电磁干扰。而后级DC-AC变换器则用于完成直流到交流转换并给终端负载供电。数字控制变换器中间直流母线环节存在电解电容，进行功率解耦，因此，数字控制变换器的前后级可以独立控制。如今数字控制变换器已广泛应用于航空静止变流器、车载逆变电源、光伏并网变换器等。

2 先进数字技术在DC-DC变换器中的应用

由于中间直流链母线电容的存在，将先进数字技术应用到DC-DC变换器中来，可以实现前后级的功率解耦，因此，前级DC-DC和后级DC-AC之间相互独立控制；对于两级式的光伏并网变换器，前级可用于实现太阳能电池板的最大功率点跟踪（MPPT）、电压升压等功能，后级可用于实现中间直流母线稳压、变换器输出测进网电流控制以及孤岛效应检测等功能。

2.1 单端正激电路设计

单端正激电路是在BUCK降压转换器上增加一个隔离变压器而构建的。该电路具有结构简单、可靠性高的优点。它被广泛应用于中小型功率转换应用。但是这个电路也有一些缺点：（1）核心单向磁化变压器，必须重置为防止磁芯饱和，因此，需要额外的复位电路使磁芯复位变压器；（2）变压器利用率低，开关将输入电压，大约两倍低的输入情况下的唯一的；（3）开关的占空比小于0.5；（4）添加到变压器的绕组结构复杂，与变压器的技术水平也会影响电路的性能。

2.2 单端反激电路设计

单端反激电路可以看成是带隔离变压器的Buck/Boost变换器，其电路拓扑与单端正激电路相似，开关管承受的电压应力也相同，只是变压器的接法不同。反激电路中隔离变压器起变压器和储能电感的双重作用，变压器磁芯会产生直流偏磁，在设计变压器时必须要有气隙以防止磁芯饱和，因此变压器的漏感较大，电感值相对较低，当开关管关断时会产生很高的关断电压尖峰。此外，反激电路会引起二极管反向恢复、无线电干扰等问题。从输出端看，反激式电路是电流源，因此电路不能空载运行。该电路结构简单，所用元器件少，适用于低压输入多输出场合。

2.3 双管正激电路设计

双管正激电路结构简洁，利用两个二极管提供励磁电流回路，实现磁芯磁复位，因此无需磁复位电路，励磁能量回馈给电源，损耗相对减少了。开关管的最大电压应力都不会超过最大直流輸入电压，电压应力小，因此功率器件可选择耐压值较低的功率管。为了保证磁芯能可靠的磁复位，开关管的占空比要小于0.5。与单端正激电路相比，双管正激电路不存在复杂的磁复位电路，这有利于简化电路和变压器的设计，但变压器工作于磁化曲线的第一象限，仍是单向磁化，铁芯利用率低。该电路适用于高压输入中大功率场合。

2.4 推挽电路设计

推挽电结构简单，可以看成是两个完全对称的单端正激式变换器的组合。因此，变压器磁芯是双向磁化，相同磁芯尺寸，推挽电路能比正激式电路输出更大的功率。由于变压器存在潜在的直流偏磁问题，因此推挽电路必须要有良好的对称性以防止磁芯的直流偏磁饱和。此外，变压器漏感能量无释放回路，这将导致开关管须承受超过两倍的电源电压，使得开关管的电压应力大，电压尖峰高。因此推挽式电路一般适用于低电压输入的中小功率场合。

2.5 半桥电路设计

半桥变换器变压器的磁心工作于磁滞回线的第一、三象限，铁芯双向磁化，利用率高。由于初级可能存在直流分量，磁通将继续增加沿磁滞回线，直到磁芯饱和，电源管损坏为止。为了防止磁通不平衡，串联电容器在主隔板中的小值。半桥变换器没有问题，像单端正激、推挽电路，故障漏峰，由于开关管并联的二极管开关将承受的直流输入电压的峰值电压钳和泄漏，储存能量回输入功率泄漏，而不是损失的电阻损耗缓冲电路。而在推拉式前向电路中开关的最大电压为直流输入电压的2倍，因此具有低开关电压应力的半桥式转换器。当开关打开时，变压器初级侧只有一半的电源电压，因此转换器一般适用于在高电压输入的电源应用。

2.6 全桥电路设计

全桥变换器最主要的优点是，其主要应用振幅正负在Uin的方波电压和正负Uin / 2半桥变换器，但开关关断电压与半桥变换器相同，等于最大输入直流电压，低电压应力。因此，管在相同的峰值电流和电压条件的开关中，输出功率是全桥变换器的两倍半桥变换器。全桥变换器的铁芯也双向磁化，利用率高，软开关的工作模式容易实现。由于开关管的低电压应力低，因此，在电路中可以采用价格较低的双极型晶体管和场效应管。但全桥变换器功率器件较多，控制及驱动较复杂，而且存在直通现象。虽然全桥变换器的磁通不平衡问题没有半桥的严重，但仍可能发生直流偏磁现象。全桥变换器比较适合中大功率场合。

2.7 Boost升压电路设计

Boost升压电路的特点是：1）结构简单，可靠性高；2）输入电流连续时，电源电磁干扰较小；3）开关管的发射极接地，因此，驱动电路相对简单；4）控制环节设计容易，电路的效率较高；5）对于采用Boost电路作为前级的两级式光伏并网变换器，其电路中的二极管还可以起到防止网侧能量反灌入光伏阵列的作用。从变换器效率的角度看，Boost电路的效率是最高的，其效率大于隔离式DC-DC变换器，成本也更低。效率是数字控制变换器的一个重要指标，本课题研究的变换器前级需要升压功能，再结合各直直变换器的优缺点，确定选用Boost电路作为前级DC-DC变换器。

3 结语

综上所述，将先进控制技术应用到DC-DC变换器中来的优点有：1）后级DC-DC采用工频开关，开关损耗很小，主要是导通损耗，可以实现效率的提高；2）此类拓扑的元器件较少，电路结构简单紧凑，可以提高系统的可靠性。这类变换器也存在缺点，其缺点在于：1）因为后级周波变换器只起一个倒相作用，所以对于两级式光伏并网变换器，最大功率点跟踪（MPPT）、电压升压、进网电流控制等一系列功能都须在前级变换器完成，控制较为复杂；2）在设计变换器时须考虑到峰值功率是输出功率的两倍，器件承受的应力加大；3）若数字控制变换器的前级输入为光伏組件，则电池板侧需要并联大容量的电解电容用于功率解耦，这样不利于变换器功率密度的提高。

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