倍流整流电路在应用中存在的问题

寇金华， 王武俊， 柴璐军

（中车永济电机有限公司， 陕西 西安 710018）

引言

近年来，随着“节能减排”口号的提出，电动汽车等应用领域得到了越来越多的关注[1]。为适应电池组容量的增加以及快速充电的要求，要求对其供电的电源具有大电流输出能力。因此，大电流DC-DC变换器的研究得到了众多学者的重视[2]。

倍流整流电路采用交错并联的方式实现大电流输出，较其它电路拓扑具有明显的优势[3-5]。本文详细分析了倍流整流电路在实际应用中由于两电感寄生电阻不同引起的电感电流不均衡问题。且在PSIM仿真结果验证了理论分析的正确性。

1 倍流整流电路

图1示出了全桥变换器拓扑，其输出侧采取的是倍流整流电路（其中RL1和RL2分别两电感的寄生电阻）。从图中可以看出，与传统的变压器副边带中心抽头的全波整流电路相比，倍流整流电路有以下优点：减小了变压器副边绕组的电流有效值；变压器利用率较高，无需中心抽头，结构简单，易于制造；输出电感电流纹波存在交错，从而有相当一部分可以相互抵消，因此能够减小输出电压纹波；双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。与桥式整流电路相比，倍流整流电路除具有上述的大部分优点外，其采用的二极管数量要少一半，因而效率相对要高。因此，倍流整流电路结合了全波整流电路和桥式整流电路两者的优点。当然，倍流整流电路要多采用一个滤波电感，但流过该电感的电流也只有全波或桥式整流的一半，因此，该电感可以做得更小。

图1 带倍流整流电路的全桥拓扑

当假定所有器件均为理想器件时，可得图1所示倍流整流电路的主要工作波形，如图2所示。下面简要描述倍流整流电路的工作过程。

图2 倍流整流电路主要工作波形

过程 1（t0—t1）：变压器副边电压 VT极性为正，流过电感L1的电流iL1线性上升，流过电感L2的电流iL2线性下降，此时仅二极管D2正向导通；

过程 2（t1—t2）：变压器副边电压 VT为零，流过电感L1和L2电流iL1和iL2均线性下降，二极管D1和D2均正向导通；

过程 3（t2—t3）：变压器副边电压 VT极性为负，流过电感L1的电流iL1线性下降，流过电感L2的电流iL2线性上升，此时仅二极管D1正向导通；

过程4（t3—t4）：过程4与过程1完全相同，这里不再赘述。

图3 两电感参数完全一致的稳态电流波形

从上页图1主电路图及图2主要工作波形示意图可以看出，倍流整流电路采用两电感交错的对称结构，从而可以得到较小的输出电流和电压纹波。不难看出，在理想情况下，流过两电感的电流具有相同的直流分量以及纹波峰峰值，它们仅在相位上存在差异。

2 存在的问题

在实际应用中，元器件参数是很难保持完全一致的，尤其是元器件的一些寄生参数，如电感和电容寄生串联电阻等。因此，需考虑寄生参数对电路稳态工作点的影响。下面主要分析当两电感寄生电阻值不相同时对倍流整流电路稳态性能的影响。

在稳态时，对上页图1所示倍流整流电路的两电感分别采用伏秒平衡可得

式中，IL1和IL2分别为流过两电感的电流平均值，D为控制脉冲占空比，T为开关周期。

简化式（1）（2），分别可得

由式（3）和（4）可知，流过两电感的电流平均值IL1和IL2的比值为：

因此，当时 RL1≠RL2，有 IL1≠IL2。即两电感寄生电阻值不同时，两电感电流将具有不同的直流分量，且流过寄生电阻值相对较大电感的电流要小于流过寄生电阻值相对较小电感的电流。

在实际应用中，倍流整流电路中两电感寄生电阻参数极有可能存在较大偏差，从而导致电感电流极大不对称，影响输出电压纹波，引起二极管D1和D2发热不均，严重时甚至造成器件损坏。

此外，由以上分析过程可知，两电感电流的不对称性是由电感寄生电阻值的不一致引起的，而与电感值无关。由此不难看出，电感值大小的不一致不会导致两电感电流直流分量的不同，而仅会影响电感电流纹波。所以在实际应用中，应尽量保持两电感寄生电阻值一致，以避免两电流不对称问题的出现。

3 仿真分析

为了验证理论分析的正确性，采用PSIM软件搭建上页图1所示电路进行仿真，主要电路参数如下：输入电压Vin=400 V，变压器匝比N=5，输出滤波电容C=6 800 μF，输出电压 Vo=12 V，输出电流 Io=100 A。

图3示出了两电感参数完全相同时（L1=L2=8 μH，RL1=RL2=5 mΩ）的两电感电流稳态波形。从图中可以看出，两电感电流具有相同的纹波以及直流分量。

图4 电感值不同但寄生电阻值相同的稳态波形

图4给出了两电感具有相同电感值（L1=L2=8 μH）但寄生电阻值不同时（RL1=6 mΩ，RL2=3 mΩ）的两电感电流稳态波形。对比图3可以看出，两电感电流不再具有相同的直流分量，流过电感L1的电流要明显小于流过电感L2的电流，且IL1/IL2≈0.5，从而证明了理论分析的正确性。

图5 电感值相同但寄生电阻值不同时的稳态电流波形

图5给出了两电感具有不同电感值（L1=7.5 μH L2=8.5 μH）但寄生电阻值相同时（RL1=RL2=5 mΩ）的两电感电流稳态波形。从图中可以看出，两电感电流具有相同的直流分量，仅纹波存在不同。

4 结论

倍流整流电路因其独特的优势在实际中有着广泛应用。本文分析了其在实际应用中可能存在的问题，从而可以更为深刻地认识该电路，为更好地应用该电路提供理论依据。

参考文献

[1] 靖苏铜，石则强，叶松，等.我国电动汽车技术应用与发展趋势的研究[J].交通节能，2011（3）：10-13.

[2] 封焯文，粟梅，孙尧，等.用于电动汽车的双向交错式DC/DC变换器的设计[J].电力电子技术，2010（9）：16-17.

[3] 郑国青，华伟.新型倍流整流器电路的研究[J].通信电源技术，2002（4）：9-11.

[4] 王萍，孙栩，宋良瑜.一种低电流纹波的低压大电流DC-DC变换器的研究[J].中国工程科学，2005（4）：59-63.

[5] 邓凡李，汪令祥.一种采用倍流整流的移相全桥ZVZCS直流变换器[J].电气传动，2007（6）：34-38.