基于软开关的宽输入高增益DC/DC变换器

马兰新 钱晓东

摘 要：一种基于软开关技术的宽输入高增益DC/DC变换器，前级采用LCL谐振推挽电路，实现软开关、电气隔离、一级升压功能。后级采用BOOST电路，实现二级升压、输出稳压功能。对该变换器进行了理论分析，并设计制作了一台额定功率3kW的样机。采用TI DSP实现数字化控制，输入电压18-32Vdc，输出电压360Vdc，效率高达93%。理论和实验结果表明，该变换器工作稳定可靠，具有宽输入、高增益、高效率、电气隔离、输出稳压等优势。

关键词：软开关；DC/DC变换器；LCL谐振；推挽；BOOST；数字化控制

中图分类号：TN624 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0024-03

Abstract： This paper studies a wide-input high-gain DC/DC converter based on soft switching technology. The LCL resonant push-pull circuit is used in the front stage to realize the functions of soft switching， electrical isolation and one stage boost. The latter stage adopts BOOST circuit to realize the function of two-stage boost and output voltage stabilization. The converter is theoretically analyzed and a prototype of rated power 3kW is designed and manufactured. Using TI DSP to realize digital control， the input voltage is 18-32Vdc and the output voltage is 360Vdc. The efficiency is as high as 93%. The theoretical and experimental results show that the converter works stably and reliably， and has the advantages such as wide input， high gain， high efficiency， electrical isolation and output voltage stabilization.

Keywords： soft switching； DC/DC converter； LCL resonance； push-pull； BOOST； digital control

引言

便携式光伏逆变器、新型燃料电池电源、车载逆变电源、航空或军用移动电源等设备一般采用低压电池供电，需要首先把电池电压升高到合适的值才能进行逆变输出，因此针对低压输入的宽输入高增益DC/DC变换器，众多学者进行了大量的研究。传统推挽电路因开关损耗大、副变二极管尖峰电压高等缺点逐渐被软开关推挽电路取代[1]。采用一级软开关推挽电路或BOOST+推挽电路较难做到稳压输出，开环控制给高频变压器绕制及电路元器件选型带来麻烦，增加了后级逆变电路成本，输入电压范围不能做到很宽[2、3]。文献[4]中采用了软开关推挽+BOOST的电路有效地解决了上述问题，但是由于推挽电路采用滤波电容和输入电感谐振实现软开关，在PWM控制上需要PUSH和PULL有重叠时间，重叠时间的长短直接影响着输出电压的稳定性，而确定重叠时间较为复杂且需要外加辅助电路实现定时，无疑增加了设计难度和电路成本。因此，本文提出一種基于LCL谐振推挽+BOOST的电路，不仅实现了宽范围输入、高增益稳压输出、高频电气隔离，而且采用软开关技术减小了开关损耗，提高了整机效率。可作为光伏逆变器、燃料电池电源、车载逆变电源等前级电源变换设备，具有较高的实际应用价值。

1 电路拓扑分析

电路采用两级拓扑，前级采用基于LCL谐振的推挽变换器，实现软开关、电气隔离和一级升压，后级采用常规BOOST电路，实现输出闭环控制和二级升压，整机电路拓扑如图1所示。

LCL谐振推挽变换器通过谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器漏感产生谐振，PWM1和PWM2以近50%（去除死区时间）占空比互补导通。高频变压器T起隔离、能量传递和升压功能，副边电压经全波整流及滤波电容实现直流输出。为实现软开关功能，开关管开关频率为谐振频率的偶数倍[5]，谐振实现过程如下所述。

（1）PWM1导通，PWM2关断：谐振电感、谐振电容和变压器漏感产生谐振，谐振电流从0开始上升，上管零电压开通，实现软开关。

（2）PWM1关断，PWM2关断：变压器原边电流下降到0，通过漏感对开关管结电容充、放电，副边电流下降到0，然后反向增大，变压器副边电压反向。同时变压器原边电压被嵌位到输入值，从而DC2电压为0，为下管零电压开通创造了条件。

（3）PWM1关断，PWM2开通：下管零电压开通，谐振电感、谐振电容和变压器漏感产生谐振，谐振电流从0反向增大，同样实现了软开关。

（4）PWM1关断，PWM2关断：变压器原边电流下降到0，通过漏感对开关管结电容充、放电，副变电流下降到0，然后反向增大，变压器副边电压再次反向。同时变压器原边电压被嵌位到输入值，从而DC1电压为0，为上管零电压开通创造了条件。

2 电路硬件设计

2.1 高频变压器设计

高频变压器的设计是前级推挽电路的重点和难点。 LCL谐振频率拟设定30kHz，高频变压器工作频率较高，要求磁芯损耗要小，且抗饱和能力要强，综合温升、成本等因素，选用铁氧体材质磁芯。输入电压范围18Vdc-32Vdc，输出电压360Vdc，额定功率3kW，最终设定变压器匝比为1：11，原边匝数为2，副边匝数为22，变压器原理图如图2所示。

2.2 BOOST电感设计

BOOST电路开关管开通时，电感储能，电感电流增加值为：

其中，VIN为BOOST输入电压，D为开关管占空比，T为开关周期。

BOOST电路开关管关断时，电感放电，电感电流减小值为：

其中，Vo为BOOST输出电压。

采用电感电流连续模式，稳态工作状态下，电感电流增加值等于减小值，则：

依据能量守恒，输入电流平均值IIN与输出电流Io之间的关系为：

BOOST输入电压198Vdc-351Vdc，输出电压360Vdc，根据式（3）得最大占空比Dmax=0.45。由式（1）可得：

其中，纹波电流？驻IL通常取平均电流的20%[6]，输出功率3kW，开关频率f取70kHz。根据式（4）、（5）可得出电感取值为643uH，考虑实际使用情况，最终选取电感值720uH。

2.3 输出电容设计

BOOST输出电容主要起储能和抑制纹波作用。电感电流连续工作模式下，为了维持输出电压恒定，输出电容的选取要综合考虑输出电流、输出电压纹波以及开关频率。

其中，Iomax为输出电流最大值，Dmax为占空比最大值，f为开关管开关频率，？驻Vo为输出电压纹波。考虑到电路ESR，实际选用的电容值要远大于该计算值。

输出电压维持时间也是选取电容的重要因素，如输入断电或其他因素导致BOOST输入电压下降时，需要由输出电容来维持输出电压。

其中，？驻t为维持时间，a为输出电压维持系数。本文选择维持时间为20ms，电压维持系数为0.25。综合以上分析，最终选择输出电容大小为940uF，选用两个500V470uF电容并联。

3 样机实验

根据以上分析，设计并制作了一台样机，样机实验波形如图3-6所示。图3为前级推挽电路软启波形。图4为变压器副边谐振电流波形，CH1为推挽电路其中一个MOSFET驱动信号，CH3为变压器副边电流波形（1A/V），从电流图中可以看出LCL谐振推挽电路基本实现了软开关功能。图5为满载稳态波形， CH1为推挽电路其中一个MOSFET驱动信号，CH2为输出电压，CH3为变压器副边电流波形（1A/V），CH4为输入电池电压，图5表明满载时机器可以稳压输出。图6为瞬投瞬卸输出电压波形（通道和图5一样），该波形表明瞬投瞬卸时输出电压能很好的实现闭环控制，具有較好的动态调节功能。

4 结束语

本文提出了一种LCL谐振推挽+BOOST拓扑的新型DC/DC变换器，有效地实现了宽范围输入高电压增益功能，减小了开关损耗，提高了整机效率，且控制方式简单，成本较低。BOOST后置方式实现了输出电压闭环控制，具有较好的动态调节功能。理论分析和实验结果均验证了该方案的可行性、有效性以及实用性。

参考文献：

[1]袁义生，朱本玉，罗峰. 逆变器前端倍压LC谐振推挽式直流变换器[J].电气传动，2015，7（45）：38-42.

[2]陈申.宽输入高增益隔离型DC-DC变换器的研究[D].浙江大学，2012.

[3]肖文英，戴日光.宽输入高增益隔离升压型DC/DC变换器[J].电源技术，2012，8（36）：1147-1151.

[4]程磊.车载并联均流型逆变器的设计与实现[D].武汉理工大学，2012.

[5]袁义生，蒋文军.一种新型LCL谐振软开关推挽式直流变换器[J].华东交通大学学报，2009，1（26）：71-75.

[6]高任龙，谢桦，陈宁，等.BOOST电路在光伏发电系统中的应用[J].电源技术，2012，3（36）：377-379.

[7]赵春雷.双向DC-DC变换器的拓扑研究[J].科技创新与应用，2017（01）：85-86.