级联式DC-DC隔离变换器的研究

董书发



级联式DC-DC隔离变换器的研究

董书发

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

Buck三电平变换器与正激变换器级联构成的级联式DC-DC变换器，该拓扑电路结构具有输出整流电压受输入电压波动影响小的特点，因此适用于宽输入电压波动范围大的场合。该拓扑电路利用中间二极管实现了对正激级高频变压器磁通复位；通过分析该电路周期内的工作过程并试制了一台450-750 V输入，多路输出的样机，并给出了当输入电压520 V时实验相关波形。采用该拓扑结构，节省铜材料，减小变压器体积，动态特性好。

Buck三电平 级联电路 多路隔离输出

0 引言

目前，常用的隔离式变换器[1]有：反激式变换器、推挽正激式变换器、移相全桥变换器和对称半桥变换器等。当输入电压和输出电压相差悬殊，输出电压路数较多时，需采用隔离式变换器。但单级隔离式变换器，因输入、输出电压的悬殊，也存在着一些问题：由于变压器的原、副边绕组匝比较大，绕组间耦合不佳，漏感大，导致变换器的效率降低；同时还会造成较大的占空比丢失，不利于变换器的优化设计，影响整体效率的提升。

级联式隔离型变换器[2,3]可任意由其中一级进行调节控制，有利于实现变换器的优化设计。Buck三电平变换器与正激式级联构成的级联式变换器，对正激式高频变压器磁通复位，没有采用第三绕组，减少了变压器的体积，且易于实现多路输出。该结构解决了传统变换器在设计中变压器绕组之间耦合欠佳等问题，解决了抗输入电压扰动和负载扰动性能差的问题。

1 拓扑结构

Buck三电平变换器[4]与正激式级联DC/DC变换器，如图1所示。Buck三电平变换器环节主要针对输入电压变化时使输出电压保持稳定，采用电压型控制[5]，开关管Q1、Q2相差半个周期，电容C1上的电压等于输入的一半；正激式环节采用电流型控制。该拓扑结构具有三个优点：

1）采用Buck三电平变换器大大减小储能元件的大小；开关管的电压应力为输入电压的一半；续流二极管的电压应力为输入电压的一半；

2）两控制回路相互独立互不影响；

3）正激式高频变压器没有用第三绕组，减小了变压器的体积。通过控制开关管Q1、Q2使电容C2电压为一稳定的电压，不受输入电压的影响。

图 1 初级主电路结构

2 工作原理

为了减化分析，对初级主电路做以下假设：

1）L足够大，使Buck三电平变换器工作于连续模式；

2）变压器及所有的器件都是理想器件。

图 2 驱动及电压波形

初级主电路控制和主要波形如图2所示，其工作主要有以下几种情况：

1）[t0，t1]阶段Q1，Q3同时导通，Q2关断，导通回路如图3(a)粗实线所示，不难看出，电感充电，稳态时隔直电容C1两端的电压等于/2，可得关系式（1），（2）即

2）[t1，t2]阶段Q1及Q2关断，Q3导通，D1、D2续流。导通回路如图3(b)粗实线所示，可得关系式（3），（4）即

（4）

3）[t2，t3]阶段Q2及Q3导通，Q1关断，导通回路如图3(c)粗实线所示，可以得关系式（5），（6）即

4) [t3 ，t4 ]阶段Q2导通，Q1及Q3关断，电感充电，变压器磁通复位通过D3续流，导通回路如图3(d)粗实线所示，可得关系式（7），(8)即

5）[t4，t5 ]阶段Q1、Q2及Q3关断，电感L充电，变压器磁通复位通过D3续流，导通回路如图3(e)粗实线所示，可得关系式（9），(10)即

6）[t5，t6]阶段Q1导通，Q2及Q3关断,变压器磁通复位通过D3续流，导通回路如图3(f)粗实线所示,可得关系式（11），(12)即

由以上分析可知buck三电平变换器与正激式变换器是相互独立工作，互不影响。Buck三电平环节的输出电压为：

（13）式中1-Buck三电平的占空比。

变压器两端电压只与开关管Q3的开、关有关，而与Q1、Q2的导通没有直接的关系，当Q3导通时为U，关断时为U-U，副边的输出为：

（14）式中D2-正激式开关管的占空比；Ns-正激式变压器的原边匝数；Np-正激式变压器副边匝数；Ui-Buck三电平变换器的输出电压，其通过上一级调节得到一稳定的电压。

3 实验结果

电路参数：输入直流电压的范围450-750 V；Buck三电平采用电压型PWM控制芯片SG3525，工作频率为70 kHz；取3 mH,C2取220mF，隔直电容取2.2mF；正激式环节采用电流型PWM控制芯片UC3844，工作频率50 kHz；MOS管采用2SK1271，二极管采用快恢复二极管MUR8100；对于整流侧采用BA159；满载时输出功率70 W。

图4（a）为Buck三电平环节Q1驱动波形，Q2的驱动波形与Q1的驱动波形相差半个周期，在图5中没有给出；图4（b）为UAB两端的电压波形，可以看出其周期是MOS管Q1，Q2开关周期的一半，幅值为输入的一半，从而降低开关管Q1，Q2和二极管D1，D2的应力，减小了滤波电感和滤波电容的大小；图4（c）为当输入电压520 V为隔直电容C1两端的电压波形，可看出为直流输入侧的一半，输出电压260 V；图4（d）为Buck三电平环节输出直流200 V；图4(e)正激环节Q3的驱动波形及变压器副输出边形，不难看出变压器可以磁通复位，但受变压器电感及漏感的影响，负半周波形不为严格的矩形方波；图4(f)为15 V直流输出波形。

4 结语

采用“Buck三电平+正激”两级式拓扑结构解决了传统单级式变换器在输入电压高、波动范围比较大场合时，开关管应力大，响应速度慢等缺点，通过并采用一种新颖的拓扑结构对正激式变换器中高频变压器磁通复位，节省了铜材料，减小了变压器的体积，更经济；两控制回路相互独立，简单可靠，易于实现，具有良好的动态特性和抗输入电压及负载扰动，且易实现多路输出。

[1] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计(修订版). 北京: 电子工业出版社, 2004.

[2] 黄剑峰, 马皓. Buck与推挽级联式DC／DC变换器的研究. 电力电子技术, 2008, 42(6): 30-32.

[3] 任小永, 阮新波. 适用于高压输入低压输出的两级式变换器. 中国电机工程学报, 2005, 25(23): 153- 157.

[4] 阮新波. 三电平直流变换器及其软开关技术. 北京: 科学出版社, 2006: 41-46, 81-88.

[5] 钟小芬, 吴捷. 基于SG3525电压调节芯片的PWM Buck三电平变换器. 电源应用技术, 2004, 7(7): 411-415.

Research on Optimal Cable Segmentation in Offshore Platform Construction

Dong Shufa

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao Shandong 266520, China）

TN624

A

1003-4862（2019）06-0025-04

2018-12-14

董书发（1984-），男，工程师。研究方向：机电一体化。E-mail：dongsf@mail.cooec.com.cn