一種新穎的升壓型電壓調(diào)整器_兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST變換器

1、第26卷第9期中國電機(jī)工程學(xué)報V ol.26 No.9 May 20062006年5月Proceedings of the CSEE ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章編號:0258-8013 (2006 09-0094-05 中圖分類號:TM624 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 學(xué)科分類號:470.40一種新穎的升壓型電壓調(diào)整器兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST變換器胡慶波,瞿博,呂征宇(浙江大學(xué)電力電子國家專業(yè)實(shí)驗室,浙江省杭州市 310027A Novel Step-up VRMTwo-phase Interleaved Coupled-boost Converter

2、HU Qing-bo,QU Bo,LÜ Zheng-yu(National Key Laboratory of Power Electronics,Zhejiang University,Zhejiang Province,Hangzhou 310027,ChinaABSTRACT: The natural life of battery cell is longer than battery group used in series, but battery cell voltage is so low. As for this problem, this paper introd

3、uces a step-up circuit, named two-phase interleaved coupled-Boost converter, and different output voltage can be acquired by changing turns ratio of coupled inductor. Two-phase boost converter operates at a very large duty cycle because voltage gain is high. Using coupled-boost topology can extend d

4、uty cycle, but it has a huge voltage spike across MOSFET due to inductor energy. This paper proposes a clamping scheme that the power switches of their own channels serve as the active clamping switches for neighbor channels in a two-phase interleaved coupled-boost converter, and only adding a capac

5、itor can realize active clamping function. Both analysis and experiment have shown that it has good effect for restraining spike voltage in a two-phase coupled-boost converter.KEY WORDS: step-up voltage requlator module; interleave; coupled inductor; active clamping circuit摘要:單體蓄電池的使用壽命高于串聯(lián)使用的蓄電池組,但

6、是單體蓄電池普遍存在電壓偏低的問題。針對這一問題選用一種新型的升壓電路結(jié)構(gòu),即兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST變換器,通過改變耦合電感匝比來獲得不同的輸出電壓。在傳統(tǒng)兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器中,當(dāng)輸入輸出電壓增益較高時,電路的占空比調(diào)節(jié)范圍較小。通過采用耦合電感的方法可以擴(kuò)展電路的占空比,但由于漏感能量的存在會造成開關(guān)管上較大的電壓尖峰。該文提出一種在兩相交錯并聯(lián)耦合電感結(jié)構(gòu)的變換器中利用相鄰相開關(guān)管作為鉗位管的方法,該方法只需增加一個電容元件即可實(shí)現(xiàn)電路的有源鉗位功能。理論分析和實(shí)驗結(jié)果均表明該變換器對抑制開關(guān)管電壓尖峰有很好的效果。關(guān)鍵詞:升壓型電壓調(diào)整器,交錯并聯(lián),耦合電感,有源鉗位0

7、 引言隨著蓄電池的大量使用,蓄電池的使用壽命越來越得到人們的關(guān)注。目前,蓄電池在使用過程中通常采用串聯(lián)的工作方式,這種方式下串聯(lián)組內(nèi)蓄電池均以同樣大小的電流進(jìn)行充放電。因此,由于單體蓄電池性能的差異,從而蓄電池組內(nèi)性能較差的電池容易先損壞,通常情況下就使整組蓄電池報廢。因此,這個串聯(lián)使用蓄電池的方法存在大量的能源浪費(fèi)。而采用單體蓄電池或并聯(lián)蓄電池的工作方式可以避免上述問題,但是目前單體蓄電池電壓偏低,如鎳氫蓄電池只有1.2V,鋰電池3.6V,燃料電池2.4V。因此如何高效的對單體蓄電池進(jìn)行能量變換是一個值得研究的問題。目前,從VRM技術(shù)來看,可以從12V降到1.2V,甚至0.9V,其效率可以達(dá)

8、到80%。已有文獻(xiàn)對VRM技術(shù)中的拓?fù)涓倪M(jìn),控制策略,磁元件的集成等進(jìn)行了大量的研究,取得了許多成果1-10。本文在借鑒了VRM技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種新型升壓結(jié)構(gòu)的VRM,該變換器采用交錯并聯(lián)技術(shù)來減少電感電流的紋波脈動,采用耦合電感技術(shù)11-15來擴(kuò)展變換器的占空比。同時,針對耦合電感變換器中存在的電壓尖峰問題,本文采用增加電容鉗位的方法,在無需增加電路有源開關(guān)的前提下,通過相鄰相開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電路的有源鉗位功能,從而對主管電壓尖峰進(jìn)行抑制,電路簡單實(shí)用。理論分析和實(shí)驗結(jié)果均表明該變換器在實(shí)現(xiàn)升壓功能的同時,能對開關(guān)管電壓尖峰進(jìn)行有效地抑制?；痦椖?國家自然科學(xué)基金項目(50237030ZD。P

9、roject Supported by National Natural Science Foundation of China (50237030ZD.第9期 胡慶波等: 一種新穎的升壓型電壓調(diào)整器兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器 951 兩相交錯并聯(lián)BOOST 變換器1.1 傳統(tǒng)兩相交錯并聯(lián)BOOST 變換器圖1是兩相交錯并聯(lián)BOOST 變換器的電路圖。通過并聯(lián)可以減少每路工作電流,并且當(dāng)占空比為0.5時可以消除輸入電流脈動。但是,在本文的應(yīng)用中,由于輸入輸出電壓增益較大,從而正常工作時電路占空比已經(jīng)接近于1,因此,在消除電流脈動方面效果不明顯。交錯并聯(lián)電路中輸入輸出電壓關(guān)系如下:o

10、 /1/(1b U U D = (1 ou圖1 兩相交錯并聯(lián)BOOST 電路 Fig. 1 Two-phase interleaved-boost circuit1.2 耦合電感BOOST 變換器文獻(xiàn)15對如何擴(kuò)展電路占空比進(jìn)行了研究,可以采用耦合電感的方式來擴(kuò)展電路占空比。這種方式對原先交錯并聯(lián)的電路修改較少。圖2是耦合電感BOOST 電路,這里定義耦合電感的匝比為21/n L L =。 u o圖2 兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器Fig. 2 Two-phase interleaved coupled-boost converter在圖2所示的兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器中

11、,直流增益是占空比D 和耦合電感匝比2413L L L L N Nn N N =的函數(shù),表示如下:o /1/(1b U U nD D =+ (2當(dāng)D 一定時,可以通過調(diào)整n 來獲得更高的輸出電壓。1.3 電壓尖峰問題在兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 電路中,由于電感和開關(guān)管串聯(lián),因此當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時會產(chǎn)生一個巨大的電壓尖峰。圖3中U S1和U DS 分別是開關(guān)管S 1兩端的驅(qū)動和漏源極(DS 兩端電壓波形,可以很清楚的看到管子關(guān)斷時存在很大的電壓尖峰。通過增加鉗位或吸收電路可以抑制這一尖峰。但是,這需要增加較多的無源或有源器件,同時也增加了變換器的復(fù)雜性。U S1U DSt /µs5

12、µs/格5 V /格10 V /格圖3 開關(guān)管的驅(qū)動和DS 波形Fig. 3 Waveform of power switching2 電容鉗位式交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器為了解決上面提到的電壓尖峰問題,本文提出了一種采用電容鉗位的交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器。參照有源鉗位的電路結(jié)構(gòu),可以在每相的主開關(guān)管上增加一個鉗位電路,如圖4所示。每相電路均有一個由電容和MOSFET 組成的有源鉗位電路。工作時電容電壓恒定,可以當(dāng)作電壓源。鉗位管S 5、S 6具有和S 2、S 4相同的驅(qū)動脈沖。當(dāng)主管S 1、S 3關(guān)斷時,電感能量使S 5、S 6的體二極管導(dǎo)通,從而S 1和S 3D

13、S 間電壓為輸入電壓和鉗位電容電壓之和,電感能量儲存到鉗位電容上從而循環(huán)利用。由于圖4的鉗位電路需要每相均增加鉗位管和電容,這對于兩相交錯并聯(lián)的BOOST 電路來說,需要增加較多的元件,這將使原本復(fù)雜的電路更為復(fù)雜。因此本文提出一種利用相鄰相的開關(guān)管來作為鉗位管的控制方法,如圖5所示。圖中S 1、S 3具有兩個功能,在作為各自相的主開關(guān)外,它們還對相鄰相起到了有源鉗位的作用,該拓?fù)湓跓o需增加電路開關(guān)元件的前提下實(shí)現(xiàn)了每相電路的有源鉗位功能。下面來進(jìn)行電路的穩(wěn)態(tài)分析,電壓電流的方向如圖6所示。這里把鉗位電容電壓當(dāng)作恒壓源處理,所有的半導(dǎo)體開關(guān)均為理想開關(guān)。圖7畫出了主要的工作波形,圖8是各個階段

14、的等效電路圖,其工作過程能簡單地描述如下。階段I (01t t 96 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報第26卷這一階段是電感L 5儲能,如圖8(a所示,S 1、 S 4導(dǎo)通,S 2、S 3關(guān)斷。輸入電壓通過S 1對L 5儲能, L 6通過S 1放出能量,同時L 4通過S 4對輸出負(fù)載放 o圖4 有源鉗位交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器Fig. 4 Two-phase interleaved coupled-boost converter with an additional active clamping circuit for each channel o圖 Fig. 5 Active cl

15、amping circuits formed betweenneighbor channels with a capacitor o圖6 變換器的穩(wěn)態(tài)分析圖Fig. 6 Simplified converter for steady-state analysisUg 1,2Ug 3,4U ds 1iL 1U ds 3iL 3i cU L 51 2 34 5 6圖7 變換器的主要工作波形Fig. 7 Key operation waveforms of proposed converter出能量。這一階段持續(xù)到S 1關(guān)斷,S 2導(dǎo)通為止。階段II(12t t 這一階段是電感L 5放出能量,如圖8

16、(b所示,S 2、S 4導(dǎo)通,S 1、S 3關(guān)斷。L 5通過S 3的體二極管放出能量,S 1兩端的電壓為輸入電壓和電容2C 電壓之和,同時L 2、L 5分別通過S 2、S 4對負(fù)載放出能量。這一階段持續(xù)到S 3的體二極管關(guān)斷為止。階段III(23t t 這一階段是電感L 5儲能,如圖8(c所示,S 2、S 4導(dǎo)通,S 1、S 3關(guān)斷。L 2、L 4分別通過S 2、S 4對負(fù)載放出能量,輸入電壓通過L 5、L 6對C 2充電。這一階段持續(xù)到S 3導(dǎo)通為止。階段IV(34t t 這一階段是電感L 5放出能量,如圖8(d所示,S 2、S 3導(dǎo)通,S 1、S 4關(guān)斷。電感L 5通過S 3放出能量,輸入

17、電壓通過S 3對L 6儲能,同時L 2通過S 2o o u 3445 56圖8 變換器各階段等效電路Fig. 8 Equivalent circuits of Two-phase coupled-boot converter第9期 胡慶波等: 一種新穎的升壓型電壓調(diào)整器兩相交錯并聯(lián)耦合電感BOOST 變換器 97對負(fù)載放出能量。這一階段持續(xù)到S 3關(guān)斷為止。階段V(45t t 同階段II 類似,這一階段是電感L 6放出能量,如圖8(e所示,S 2、S 4導(dǎo)通,S 1、S 3關(guān)斷。L 6通過S 1的體二極管放出能量,S 3兩端的電壓為輸入電壓和電容C 2電壓之和,同時L 2、L 4分別通過S 2

18、、S 4對負(fù)載放出能量。這一階段持續(xù)到S 1的體二極管關(guān)斷為止。階段VI(56t t 同階段III 類似,這一階段是電感L 6儲能,如圖8(f所示,S 2、S 4導(dǎo)通,S 1、S 3關(guān)斷。L 2、L 4分別通過S 2、S 4對負(fù)載放出能量,輸入電壓通過L 5、L 6對C 2充電。這一階段持續(xù)到S 1導(dǎo)通為止。下面來推導(dǎo)上述變換器的穩(wěn)態(tài)增益方程,這里考慮電容穩(wěn)態(tài)工作時電壓恒定,即2c b U U =。下面寫出每個狀態(tài)時電感5L 兩端的電壓表達(dá)式。01t t : 5515/(L b U L L L U =+ (3 12t t : 52o (/L d c b U U U U U n =+ (4 23

19、t t : 5o (/L b U U U n = (5 34t t : 52o (/L c b U U U U n =+ (6 45t t 5o (/L d b b U U U U U n =+ (756t t 5o (/L b U U U n = (8其中,d U 是開關(guān)管體二極管的導(dǎo)通壓降。因此對電感5L 在一個開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行電壓積分,可以獲得表達(dá)式o 115/(1b b U L L L nD D U U =+×+ (9 根據(jù)上式,當(dāng)占空比0.45D =,3n =,51/L L = 1/9,主管1S 和3S 的電壓應(yīng)力為s12b c U U U =+。3 實(shí)驗結(jié)果實(shí)驗中采用兩節(jié)1

20、.2 V/100 Ah 鎳氫蓄電池串聯(lián)作為輸入電壓,變換器的控制芯片采用F2407A DSP ,開關(guān)管工作頻率50 kHz 。電感13L L = 4.5µH 2440.5µH L L =,230µF C =,整個變換器工作在開環(huán)方式下,輸出占空比0.45,耦合電感匝比3n =。圖9所示是1S 兩端的電壓波形,其中S1U 是S 1的驅(qū)動波形,DS U 是S 1經(jīng)電容鉗位后DS 兩端的電壓波形。圖10是圖9的局部放大,從DS U 中可以看出有一段體二極管導(dǎo)通的時間,這也正是采用電容鉗位所必須的。圖11是不采用電容鉗位時的波形,其中S1U 是S 1的驅(qū)動波形,DS U

21、是開關(guān)管兩端的電壓波形,從圖中可以看出,開關(guān)管兩端有很高的電壓尖峰。圖12是鉗位電容兩端的電壓波形,由于有限的電容值,其電壓存在脈動,平均值為輸入電壓。圖13是電感L 1兩端的電壓波形,圖14是當(dāng)電路占空比為0.25時開關(guān)管S 1兩端的波形,其中S1U 是1S 的驅(qū)動波形,DS U 是S 1經(jīng)電容鉗位后DS 兩端的電壓波形。從圖中可以清楚的看出圖8所示的6個電路狀態(tài)。10 V /格t /µs5 µs/格5 V /格U S1U DS圖9 電容鉗位后開關(guān)管兩端電壓波形 Fig. 9 Waveform of power switchingused clamping capacit

22、ance10 V /格5 V /格1 µs/格t /µsU S1U D2圖10 電容鉗位后開關(guān)管兩端電壓波形 Fig. 10 Waveform of power switchingused clamping capacitance10V /格10V /格U D2U S15µs/格t /µs圖11 沒有電容鉗位時開關(guān)管兩端電壓波形 Fig. 11 Waveform of power switchingwithout clamping capacitance5 µs/格t /µs10 V /格U S圖12 鉗位電容兩端電壓波形Fig. 1

23、2 Waveform of clamping capacitance98 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報第26卷5 V /格U L5 µs/格t /µs圖13 電感L 1兩端電壓波形Fig. 13 waveform of inductor L 15 V /格5 V /格U S1U DS5 µs/格t /µs圖14 占空比0.25時開關(guān)管兩端波形Fig. 14 Waveform of power switching when duty cycle is 0.254 結(jié)論本文提出在兩相交錯并聯(lián)電路中采用耦合電感的方式,擴(kuò)展了電路的占空比。另外,在兩個相鄰變換

24、器之間加入電容作為電壓鉗位,可以有效地抑制開關(guān)管兩端的電壓尖峰。理論分析和實(shí)驗結(jié)果均表明采用電容鉗位耦合電感的BOOST 變換器在完成升壓的同時可以對開關(guān)管兩端的電壓尖峰有很好的抑制效果。參考文獻(xiàn)1 Xu Peng ,Wei Jia ,Lee F C .Multiphase coupled-buck converter-anovel high efficient 12V voltage regulator moduleJ.Trans on power electronics ,2003,18(1:74-82.2 Xunwei Zhou ,Peng Xu ,Lee F C .A high pow

25、er density, highefficiency and fast transient voltage regulator module with a novel current sensing and current sharing techiqueC.in Proc .IEEE APEC Conf ,Dallas ,Tesas ,1999,289-294.3 梁小國,危建,阮新波.一種新型的交錯并聯(lián)正激三電平變換器J.中國電機(jī)工程學(xué)報,2004,24,(11:139-143.(Liang Xiaoguo ,Wei Jian ,Ruan Xinbo .A novel interleave

26、d three-level forward converterJ.Proceedings of the CSEE ,2004,24,(11:139-143(in Chinese.4 Weizel H ,Frohleke N ,Meier F .Comparison of low voltagetopologies for voltage regulator modulesC.IEEE IAS ,pittsburgh ,Pennsylvania ,USA ,2002,2:1323-1329.5 Saggini S ,Ghioni M ,Geraci A .An innovative digita

27、l controlarchitecture for low-voltage ,high-current DC-DC converters with tight voltage regulationJ.IEEE Trans on Power Electronics ,2004,19(1:210-218.6 Abu-Qahouq J A ,Mao Hong ,Batarseh I .Novel control method formultiphase low-voltage high-current fast-transient VRMsC.IEEE PESC02,Caima ,Nath Quee

28、rsland ,Australia ,2002,4:1576-1581. 7 Xunwei Zhou ,Wong Pit-Leong ,Xu Peng ,et al .Investigation ofcandidate VRM for future microprocessorsJ.IEEE Trans .Power Electronics ,15(6:1172-1182.8 Abu-Qahouq J A ,Pongratananukul. N ,Batarseh I ,et al .Multiphasevoltage-mode hysteretic controlled VRM with D

29、SP control and novel current sharingC.in Proc IEEE Devices ,Circuits and systems ,Chengdu ,Sichuan ,China ,2002,1-7.9 Capponi G ,Livreri P ,Mocciaro I ,et al .A 5-V/1.5-V ,60A interleaved four-phases voltage regulator module based on a new control techniqueC.in Proc. IEEE Circuits and systems ,Sydne

30、y ,Australia ,2001,948-951.10 Yuri Panov ,Milan M .Jovanovic .Design consideration for12-V/1.5-V ,50A voltage regulator modulesJ.IEEE Trans on Power Electronics ,2001,11(2:776-783.11 許峰,徐殿國,柳玉秀.一種新型的全橋零電壓零電流開關(guān)PWM變換器J.中國電機(jī)工程學(xué)報,2004,24(1:147-152.Xu Feng ,Xu Dianguo ,Liu Yuxiu .A Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching(ZVZCS Full-Bridge PWM ConverterJ. Proceedings of the CSEE ,2004,24(1:147-152(in Chinese. 12 林國慶,陳大華,陳和平.車用金