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  • 頭條創(chuàng)新的諧振變換器:高效率、高功率密度、開關(guān)頻率固定
    2019-08-20 作者:吳琨、錢挺 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語同濟大學(xué)電氣工程系的研究人員吳琨、錢挺等,在2018年第20期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,提出一種開關(guān)頻率固定的輸出可調(diào)型有源鉗位正激雙向諧振變換器。不同于傳統(tǒng)有源鉗位技術(shù),該變換器中的單個有源鉗位電路為兩個變壓器去磁,以簡化電路結(jié)構(gòu),并提供諧振回路實現(xiàn)能量反向傳遞。同時,輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)可分擔(dān)輸入電壓,減輕單個器件電壓應(yīng)力。采用交錯并聯(lián)PWM的控制策略,以減小輸入電流紋波。該變換器開關(guān)頻率固定,可避免傳統(tǒng)調(diào)頻方式中存在的磁性元件、同步整流驅(qū)動設(shè)計困難等問題,且具有一定的輸出電壓調(diào)節(jié)能力。此外,利用諧振原理,該變換器可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通以及二極管的零電流開關(guān),提升變換效率。詳細(xì)分析開關(guān)頻率固定的輸出可調(diào)型有源鉗位正激雙向諧振變換器的工作原理以及穩(wěn)態(tài)特性,最后搭建了一臺43~53V輸入、24V/1.8A輸出的實驗樣機,實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

    高效率、高功率密度是當(dāng)今功率變換器的重要發(fā)展趨勢。而傳統(tǒng)硬開關(guān)的PWM變換器隨著開關(guān)頻率的提升,變換效率顯著下降,因此開關(guān)頻率和功率密度無法進(jìn)一步提高,不符合上述趨勢。

    諧振變換器由于可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通以及二極管的零電流開關(guān),具有其他變換器無可比擬的優(yōu)勢。目前,諧振變換器的研究主要集中于LLC變換器和DCX變換器。其中,LLC變換器結(jié)構(gòu)簡單,軟開關(guān)特性優(yōu)良,備受研究學(xué)者關(guān)注。但是,為調(diào)節(jié)LLC變換器的輸出電壓,需采用調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的控制方式。而開關(guān)頻率的大范圍變化將顯著加大磁元件和同步整流驅(qū)動的設(shè)計難度,不利于效率提升。

    DCX變換器為不可控變換器,即輸入輸出電壓關(guān)系與負(fù)載、開關(guān)頻率和占空比均無關(guān),可將此類變換器設(shè)計在最佳工作點,以獲得較高的效率。文獻(xiàn)[13]提出了一種電流饋電型正激式DCX變換器,拓?fù)浜唵危涢_關(guān)特性優(yōu)異,適用于小功率場合。

    在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[14,15]對其進(jìn)行了拓展,并衍生出一系列電流饋電型諧振變換器,但其仍然沒有輸出電壓調(diào)節(jié)能力。為此,文獻(xiàn)[16,17]通過增大變壓器諧振電感與勵磁電感之比,結(jié)合調(diào)頻控制,拓寬了電壓輸入范圍,但一定程度上增加了控制的復(fù)雜度,且降低了變換效率。

    為避免以上問題,可將DCX變換器作為兩級變換器的前級,后級利用PWM變換器調(diào)節(jié)輸出電壓。由于兩級變換器拓?fù)鋸?fù)雜,環(huán)路設(shè)計相對困難,降低了系統(tǒng)的可靠性。為進(jìn)一步改善DCX變換器的性能,文獻(xiàn)[8]中,輸入功率的絕大部分由單級變換器傳遞,以獲得較高效率;剩余部分由兩級共同傳遞,以調(diào)節(jié)輸出電壓。

    文獻(xiàn)[20]提出了DCX變換器與輔助PWM變換器串聯(lián)輸入并聯(lián)輸出的方案,通過調(diào)節(jié)輔助電路占空比來調(diào)節(jié)輸出,優(yōu)化了變換器的整體效率。此外,有學(xué)者們提出了PWM型諧振變換器,以簡化傳統(tǒng)調(diào)頻控制方式。

    基于以上研究,本文提出了一種開關(guān)頻率固定的輸出可調(diào)型有源鉗位正激雙向諧振變換器。不同于傳統(tǒng)有源鉗位技術(shù),該變換器中的單個有源鉗位電路既能為兩個變壓器去磁,以簡化電路結(jié)構(gòu),又提供諧振回路以實現(xiàn)能量的反向傳遞。

    同時,輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu)可減輕單個開關(guān)管的電壓應(yīng)力。控制采用交錯并聯(lián)的PWM方式,可大大減小輸入電流紋波,且該變換器開關(guān)頻率固定,兼具一定的輸出電壓調(diào)節(jié)能力。相比于傳統(tǒng)調(diào)頻控制方式,PWM控制方式更為簡單,更利于磁元件的設(shè)計、同步整流驅(qū)動的設(shè)計,電路可靠性更高。

    此外,本文提出的諧振變換器可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通及二極管的零電流開關(guān),顯著減小MOSFET開關(guān)損耗的同時,無二極管反向恢復(fù)問題,效率性能更優(yōu),利于變換器的高功率密度集成。

    創(chuàng)新的諧振變換器:高效率、高功率密度、開關(guān)頻率固定

    圖2 本文提出的諧振變換器

    結(jié)論

    本文提出了一種開關(guān)頻率固定的輸出可調(diào)型有源鉗位正激雙向諧振變換器,并詳細(xì)分析其工作原理,最后設(shè)計并搭建樣機進(jìn)行實驗驗證。實驗表明本文提出的變換器具有如下特點:

    1)不同于傳統(tǒng)有源鉗位技術(shù),該變換器中的同一個有源鉗位電路既為兩個變壓器去磁,簡化了整體電路結(jié)構(gòu),又提供了諧振回路,實現(xiàn)了能量的反向傳遞。

    2)拓?fù)洳捎幂斎氪?lián)輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu),減輕了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。因此,可選用低耐壓的高性能開關(guān)器件,以進(jìn)一步提高變換效率。

    3)本文提出的諧振變換器開關(guān)頻率固定,大大簡化了傳統(tǒng)調(diào)頻控制方式,有效避免了磁元件、同步整流驅(qū)動設(shè)計困難等問題,增加了電路的抗干擾能力。

    4)變換器中的開關(guān)管和二極管均實現(xiàn)了軟開關(guān),利于效率提升及高功率密度集成。

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