航天用帶耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)溲芯?/h1>
2014-11-25 09:27:34鄭瓊林
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2014年10期
陳 騫 鄭瓊林 李 艷
（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）
1 引言
電流連續(xù)型直流變換器是指任意時(shí)刻輸入輸出電流均大于零的變換器，相比于一側(cè)電流斷續(xù)的傳統(tǒng)直流變換器，電流連續(xù)型直流變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)[1,2]：
（1）降低電磁干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性能。
（2）減小濾波元件的體積，提高功率密度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
（3）減小電流應(yīng)力，提高電路效率。
（4）利于準(zhǔn)確檢測(cè)和反饋電流信號(hào)，提高均流度和遙測(cè)精度。
電源控制器（Power Conditioning Unit,PCU）是衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池陣-蓄電池混合供電系統(tǒng)，它為衛(wèi)星上所有負(fù)載提供能量。根據(jù)母線電壓調(diào)節(jié)方式的不同，PCU 可以分為全調(diào)節(jié)母線、部分調(diào)節(jié)母線和不調(diào)節(jié)母線三種，其中全調(diào)節(jié)母線的PCU 屬于三域調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所謂三域調(diào)節(jié)指的是 PCU 在S3R(sequential shunt switching regulation)域、BDR域和BCR 域內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的精確控制[3-9]，因此母線電壓品質(zhì)最優(yōu)。PCU 系統(tǒng)中蓄電池與母線共地，同時(shí)為延長(zhǎng)蓄電池壽命，滿足0.5%的母線電壓紋波要求，BDR、BCR 一般不采用一側(cè)電流斷續(xù)的傳統(tǒng) DC-DC 拓?fù)洌x用非隔離電流連續(xù)型DC-DC 變換器。
Add on smart、Superboost 均屬于非隔離電流連續(xù)型拓?fù)?。由于主電路不含變壓器，Superboost 拓?fù)鋄10,11]具有較小的體積和較高的效率，但是其MOS管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗較高，主電路傳遞函數(shù)為四階系統(tǒng)，且含有右半平面零點(diǎn)，因此其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣；此外Superboost 的MOS 管S 極電位低于-5V，不能使用IR2110 等常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)芯片，因此驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。而Add on smart[12]雖然為二階系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，但屬于兩級(jí)式的變換器，且器件數(shù)較多，損耗較大，很難滿足效率要求。為了結(jié)合上述兩種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免其缺點(diǎn)，傳統(tǒng)Weinberg 變換器于1992 年首次提出[13]，經(jīng)過(guò)近十年的研究和發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于PCU 系統(tǒng)中。傳統(tǒng)Weinberg 變換器的輸入輸出電流連續(xù)，其中輸入電流呈脈沖狀，輸出電流在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電流的平均值等于關(guān)斷時(shí)的平均值，在本文中稱(chēng)之為低紋波電流。此外該拓?fù)溥€具有變壓器不易偏磁、控制系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)、效率較高等優(yōu)勢(shì)[14-16]。
從傳統(tǒng)Weinberg 拓?fù)渖峡?，改變耦合電感的接法、推挽單元的結(jié)構(gòu)以及耦合電感與推挽單元的連接方式可以衍生出許多不同的拓?fù)洌虼吮疚奶岢隽嘶隈詈想姼械碾娏鬟B續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞母拍?，該?lèi)拓?fù)鋵儆谏龎盒屯負(fù)?。相比于單電感拓?fù)?，此?lèi)拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：
（1）保證相同的電感量的情況下耦合電感的體積更小，重量更輕，效率更高，這在航天領(lǐng)域尤為可貴。
（2）電路組成更靈活，可以根據(jù)不同要求選擇合適的拓?fù)?，選擇空間更大。
（3）部分拓?fù)渲恍韪淖冊(cè)驯燃纯蓪?shí)現(xiàn)輸入電流低紋波或者輸出電流低紋波，既可用于BDR 也可用于BCR 場(chǎng)合。
為提高效率、減小脈動(dòng)電流的紋波以及針對(duì)不同功率等級(jí)PCU 中的BDR和BCR 提供最優(yōu)拓?fù)溥x擇，本文著重研究帶耦合電感的電流連續(xù)型推挽拓?fù)涞耐蒲芊椒ㄒ约疤匦浴?/p>
2 五種非隔離型推挽單元
圖1 為傳統(tǒng)推挽式變換器，該拓?fù)錇楦綦x型拓?fù)洹榈玫椒歉綦x型推挽變換器，將傳統(tǒng)推挽單元的變壓器二次中抽H 連接至電源輸入正端，輸入輸出共地，得到I 類(lèi)推挽單元[17]，如圖2a 所示。將變壓器二次中抽H 連接至推挽單元的E 端，并將二極管分別連接至MOS 管的VD 極得到II 類(lèi)推挽單元[13]，即為Weinberg 拓?fù)涞耐仆靻卧鐖D2b 所示。在II 類(lèi)推挽單元的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)變壓器繞組，并改變二極管、MOS 管與變壓器的接法以改變輸入輸出電壓的關(guān)系，從而得到III、IV 類(lèi)推挽單元[12,17]，如圖2c和圖2d 所示。也可將變壓器二次中抽直接連至輸入地端得到V 類(lèi)推挽單元，如圖2e 所示。
圖1 傳統(tǒng)推挽式變換器Fig.1 Traditional push-pull converter
圖2 五種新型推挽單元Fig.2 Five kinds of new push-pull cell
I、V 類(lèi)推挽單元的變壓器一二次固定，MOS管與變壓器的一次相連；II、III、IV 類(lèi)推挽單元的變壓器一二次由Q1、Q2的開(kāi)關(guān)時(shí)序決定，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Ns為一次，當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)Np為一次，MOS 管對(duì)稱(chēng)分布在變壓器的一次和二次。如果變壓器的匝比不為1，推挽單元I、V 只需要分析兩種模態(tài)，而推挽單元II、III、IV 則需要分析三種模態(tài)。
3 拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)
基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由輸入電源、耦合電感、推挽變換單元、續(xù)流二極管、電容以及負(fù)載構(gòu)成。不論Q1、Q2關(guān)斷還是導(dǎo)通，耦合電感的一次始終流過(guò)電流保證輸入電流連續(xù)。當(dāng)Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由推挽單元提供；當(dāng)Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流由續(xù)流二極管提供，因此推挽單元與續(xù)流二極管相互配合使得輸出電流連續(xù)。只需適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合電感與變壓器的匝比即可實(shí)現(xiàn)一側(cè)電流低紋波，可見(jiàn)耦合電感、續(xù)流二極管和推挽單元是基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞暮诵摹?/p>
圖3 基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)Fig.3 General structure of continuous current push-pull based topology with coupling inductor
耦合電感有正反兩種接法，如圖4 所示。每種耦合電感與外部電路有六種連接方法，見(jiàn)表1。但組合1 與組合6 等效，組合2 與組合5 等效，組合3 與組合4 等效。因此每種推挽單元的拓?fù)渥灏? 種拓?fù)?，五種推挽單元一共是30 種拓?fù)洹?/p>
圖4 三端子耦合電感Fig.4 Three-terminal coupling inductor
表1 三端子耦合電感與外部電路的六種連接方法Tab.1 Six ways of configuring three-terminal coupling inductor to external circuit
4 五類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓纳?/h2>
根據(jù)以上所述的拓?fù)渖稍瓌t，可以得到各類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?，?jiàn)表2，其中除了拓?fù)銲Ia-1[13]和IIb-3[16]由前人提出，其余拓?fù)渚鶠槭状翁岢龅男峦負(fù)洹Ｍ負(fù)銲a-3、IIa-3、IIIa-3、IVa-3、Va-3 由于耦合電感無(wú)法續(xù)流，不能正常工作，因此不在本文的討論范圍之內(nèi)。下面根據(jù)推挽單元的不同，分別研究各類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓奶匦?。下文各?lèi)拓?fù)渲械鸟詈想姼性驯榷x為N1=Np1/Ns1，變壓器匝比定義為N2=Np/Ns，Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)流過(guò)耦合電感的電流定義為i1。
表2 基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)鋱D的編號(hào)Tab.2 Figure numbers for continuous current push-pull based topology with coupling inductor
4.1 I 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
I 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D5 所示。相比于傳統(tǒng)的電流饋電式推挽拓?fù)?，該族拓?fù)渫ㄟ^(guò)增加一只續(xù)流二極管VD，使耦合電感直接通過(guò)VD 向負(fù)載續(xù)流，從而保證輸入和輸出電流連續(xù)。
圖5 I 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.5 Circuit configurations with I type push-pull cell
對(duì)于拓?fù)銲a-1，輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1/(N1+1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1+1)i1/(N1+1)，低值為N1i1/(N1+1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1+2D)Vin/N1。
要使拓?fù)?Ia-2 的輸入電流為低紋波需滿足N2=1/N1，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為(N1+1)i1/N1，低值為i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(N1+1)Vin/(N1+1-2N1D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=(N1+1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1+1)i1/N1，低值為(N1+1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1+1)Vin/(N1+1)。
為保證拓?fù)銲b-1 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。要使輸入電流低紋波需滿足N2=1/(N1-1)，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為N1i1/(N1-1)，低值為i1/(N1-1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=N1Vin/(N1-2DN1+2D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1/(N1-1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1-1)i1/(N1-1)，低值為N1i1/(N1-1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D-2D+N1)Vin/N1。
對(duì)于拓?fù)銲b-2，為保證Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)耦合電感處于充電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=(N1-1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1-1)i1/N1，低值為(N1-1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1-1)Vin/(N1-1)。
對(duì)于拓?fù)?Ib-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2+1，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為N1i1，低值為(N1-1)i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=N1Vin/(N1-2D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(N1+1)i1，低值為N1i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2D+N1)Vin/N1。
4.2 II 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
II 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D6 所示。其中拓?fù)銲Ia-1 為最早提出的Weinberg 變換器，拓?fù)銲Ia-2、IIb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖10 中的拓?fù)銩。拓?fù)銩 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流低紋波，為滿足Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)電感電流的變化量相等，需保證N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-D)。令續(xù)流二極管VD 的陽(yáng)極電壓為VVD+，變壓器一二次共同連接點(diǎn)電壓為Vct，耦合電感一次電壓為Vp1，二次電壓為Vs1。
圖6 II 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.6 Circuit configurations with II type push-pull cell
圖7 III 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.7 Circuit configurations with III type push-pull cell
圖8 IV 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.8 Circuit configurations with IV type push-pull cell
圖9 V 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.9 Circuit configurations with V type push-pull cell
圖10 圖6b、圖6d和圖6f 的等效拓?fù)銩Fig.10 Equivalent topology A of Fig.6b、Fig.6d and Fig.6f
拓?fù)銲Ia-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
拓?fù)?IIa-2 中續(xù)流二極管 VD 的陽(yáng)極電壓VVD+=Vin+Vp1，變壓器共同連接點(diǎn)的電壓Vct=Vin+Vp1(1+1/N1)，因此Vct＞VVD+，電感電流直接經(jīng)過(guò)變壓器一二次續(xù)流，該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銩。
為保證拓?fù)銲Ib-1 的二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銩。
對(duì)于拓?fù)銲Ib-2，為保證耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=2N2=2，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
要使拓?fù)?IIb-3 的輸入電流為低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)?A；要使輸出電流低紋波需滿足N2=2N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
4.3 III 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
III 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D7 所示。其中拓?fù)銲IIa-2、IIIb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖11 中的拓?fù)銪。拓?fù)銪 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流零紋波，為滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)等效開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感電流正向變化量與負(fù)向變化量相等，需滿足N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-2D/3)。
圖11 圖7b、圖7d、圖7f 的等效拓?fù)銪Fig.11 Equivalent topology B of Fig.7b、Fig.7d、Fig.7f
拓?fù)銲IIa-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=2N2=2，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
拓?fù)銲IIa-2 可以等效為拓?fù)銪。
對(duì)于拓?fù)銲IIb-1，為保證二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，Vct=可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銪。
為保證拓?fù)銲IIb-2 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=3N2=3，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
對(duì)于拓?fù)銲IIb-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銪；要使輸出電流低紋波需滿足N2=1.5N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
4.4 IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D8 所示。其中拓?fù)銲Va-2、IVb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖12 中的拓?fù)銫。拓?fù)銫 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流零紋波，為滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)等效開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感電流正向變化量與負(fù)向變化量相等，需滿足N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-4D/3)。
圖12 圖8b、圖8d、圖8f 的等效拓?fù)銫Fig.12 Equivalent topology C of Fig.8b、Fig.8d、Fig.8f
拓?fù)銲Va-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=2N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
拓?fù)銲Va-2 可以等效為拓?fù)銫。
為保證拓?fù)銲Vb-1 的二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銫。
為保證拓?fù)銲Vb-2 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=2N1/3=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
對(duì)于拓?fù)銲Vb-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銫；要使輸出電流低紋波需滿足N2=3N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
4.5 V 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
圖9 為V 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?。與I 類(lèi)推挽拓?fù)洳煌氖荲 類(lèi)推挽拓?fù)鋵⒆儔浩鞫沃谐檫B接至一次的地端。由于MOSFET 開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)流過(guò)耦合電感的電流不相等，因此V 類(lèi)推挽拓?fù)涞妮斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波。
拓?fù)銿a-1 的輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1/(N1+1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為N1i1/(N1+1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D/N1)Vin。
拓?fù)銿a-2、Vb-1 的輸入電流、輸出電流均不能實(shí)現(xiàn)低紋波。
對(duì)于拓?fù)銿b-2，為保證Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)耦合電感處于充電狀態(tài)，需使N1＞1。要使輸出電流為低紋波需滿足N2=(N1-1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為(N1-1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=[1+2D/(N1-1)]Vin。
對(duì)于拓?fù)銿b-3，為保證耦合電感正常充放電，需使N1＜1。要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為N1i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1-2D+2D/N1)Vin。
5 拓?fù)溥x擇與應(yīng)用
5.1 拓?fù)湟?guī)律總結(jié)
根據(jù)以上分析總結(jié)出的規(guī)律如下：
（1）耦合電感a 為正接，耦合電感b 為反接，為實(shí)現(xiàn)相同的電流紋波，耦合電感b 的匝數(shù)、體積和重量高于耦合電感a。因此基于耦合電感a 的拓?fù)涞墓β拭芏雀蟆?/p>
（2）與其他幾種組合不同，在所有基于耦合電感b 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯校M合3、4 的耦合電感一二次不可能同時(shí)流過(guò)電流，因此為實(shí)現(xiàn)相同的電流紋波，其耦合電感的匝數(shù)、體積和重量比組合1、2、5、6 的小。在所有拓?fù)渲?，基于耦合電感b，且組合為3、4 的推挽拓?fù)涞鸟詈想姼袑?dǎo)通損耗最小。
（3）在所有基于耦合電感a 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯?，組合3和4 得到的拓?fù)涫遣荒苷９ぷ鞯?，這是因?yàn)楫?dāng)Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管VD的陽(yáng)極電壓VVD+=Vin-Vs1＜Vout，因此續(xù)流二極管不能導(dǎo)通，耦合電感沒(méi)有續(xù)流回路。
（4）在所有基于耦合電感b 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯?，組合1、6、2、5 得到的拓?fù)淙裟苷９ぷ鞅仨殱M足N1＞1。由于耦合電感b 為反接，為防止耦合電感一二次串聯(lián)運(yùn)行時(shí)感值過(guò)小，一般將N1取為大于2。
（5）由于II、III、IV 類(lèi)推挽單元一二次不固定，為保證Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)電感電流的變化量相等，需滿足N2=1，而I 類(lèi)推挽單元一二次固定，因此輸入或輸出電流為低紋波時(shí)，N1、N2并不是確定的值。
（6）II、III、IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥逯?，III 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓腣out/Vin變化范圍較小，IV 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓腣out/Vin變化范圍較大，II 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥鍎t介于兩者之間。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可以選取合適的拓?fù)洹?/p>
（7）由于II、III、IV 類(lèi)推挽單元從本質(zhì)上看是一樣的，因此其生成的拓?fù)渥逡簿哂邢嗨频奶匦?。在基于耦合電感a 的拓?fù)渲?，組合2、4 始終滿足Vct＞VVD+，因此耦合電感只通過(guò)變壓器一二次續(xù)流，而不經(jīng)過(guò)二極管，此時(shí)拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)?。在基于耦合電感b 的拓?fù)渲校菇M合1、6、2、5正常工作，需滿足N1＞1，此時(shí)基于組合1、6 的拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)洌唤M合3、4 的耦合電感若要通過(guò)續(xù)流二極管VD 續(xù)流，需滿足N1＜1，當(dāng)組合3、4 的輸入電流為低紋波時(shí)，拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)?。等效得到的單電感拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)輸入電流低紋波，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出電流低紋波。
5.2 PCU 系統(tǒng)中的應(yīng)用
PCU 采用三域控制，根據(jù)母線側(cè)電流的不同將主誤差放大器的輸出電壓信號(hào)從小到大劃分成三個(gè)控制域，分別對(duì)應(yīng)為BDR 域、BCR 域、S3R 域，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。在三個(gè)控制域之間設(shè)置有死區(qū)，從而保證域間正常切換。為精確控制，以母線側(cè)電流為低紋波作為BDR、BCR 拓?fù)涞倪x擇標(biāo)準(zhǔn)。本文研究的推挽類(lèi)拓?fù)錇樯龎和負(fù)?，因此輸入電流連續(xù)的拓?fù)溥m用于蓄電池電壓高于母線電壓PCU 系統(tǒng)中的BCR，輸出電流連續(xù)的拓?fù)溥m用于蓄電池電壓低于母線電壓PCU 系統(tǒng)中的BDR。依據(jù)上述分類(lèi)原則，將圖5～圖9 中的所有拓?fù)浞殖蓛深?lèi)。
表3、表4 分別列出了適用于BDR和BCR 的非隔離電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞奶匦?。? 中的最小Vbat和表4 中的最大Vbat均是在母線電壓為42V，開(kāi)關(guān)管最大占空比為0.5 的條件下求得。
6 試驗(yàn)結(jié)果
現(xiàn)有的PCU 系統(tǒng)蓄電池電壓Vb為20～32V，母線電壓為42V，考慮到該系統(tǒng)需要較大的電壓增益，傳統(tǒng)的Weinberg 拓?fù)錈o(wú)法達(dá)到，在所有提出的拓?fù)渲兄挥休斎胼敵鲭妷宏P(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin的拓?fù)洳拍軡M足系統(tǒng)的需要。為驗(yàn)證理論分析的正確性，本文研制基于拓?fù)銲Va-1 的試驗(yàn)樣機(jī)。由于拓?fù)銲Va-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，因此該拓?fù)渲贿m用于BDR。試驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)如下：負(fù)載電流iload范圍：1～8A，耦合電感：一次自感15μH，二次自感60μH，互感29.6μH，變壓器匝比：1:1:1:1，母線電容600μF，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，MOSFET 型號(hào)：FB260N，二極管型號(hào)：30CPQ150。
表3 適用于BDR 應(yīng)用場(chǎng)合的變換器的特性比較(Vbat=Vin,Vbus=Vout=42V,Dmax=0.5)Tab.3 Performance comparison of regulators for battery discharge application
表4 適用于BCR 應(yīng)用場(chǎng)合的變換器的特性比較(Vbat=Vout,Vbus=Vin=42V,Dmax=0.5)Tab.4 Performance comparison of regulators for battery charge application
蓄電池電壓為 20V，負(fù)載電流為 8A 時(shí)拓?fù)銲Va-1 的輸入輸出電流波形如圖13 所示，蓄電池電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)的輸入輸出電流波形如圖14 所示。由圖13、14 可知，拓?fù)銲Va-1 的輸出電流為低紋波，但在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)存在電流尖峰，這是由變壓器的漏感釋放能量引起的，隨著漏感值的增加，尖峰變大。拓?fù)銲Va-1 的輸入電流呈脈動(dòng)狀，其高值為三倍輸出電流，低值為輸出電流。
圖13 蓄電池電壓為20V，負(fù)載電流為8A 時(shí)的輸入輸出電流波形Fig.13 Input and output current waveforms when Vb=20V and iload=8A
圖14 蓄電池電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)的輸入輸出電流波形Fig.14 Input and output current waveform when Vb=32V and iload=1A
拓?fù)銲Va-1 的效率曲線如圖15 所示。由圖可知所有工況下，輸入電壓為20V，負(fù)載電流為8A 時(shí)效率最低，為94.8%；輸入電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)效率最高，為97.58%?？梢?jiàn)負(fù)載越重，輸入電壓越低，拓?fù)銲Va-1 的效率越低。
圖15 拓?fù)銲Va-1 的效率曲線Fig.15 Efficiency curve of topology IVa-1
7 結(jié)論
基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)渲饕詈想姼?、推挽變換單元和續(xù)流二極管三部分。其中耦合電感有兩種，推挽單元有五種，耦合電感與推挽單元又有六種組合形式。不重復(fù)計(jì)及等效拓?fù)?、排除不能正常工作的拓?fù)?，可生?5 種基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)洌渲杏?3 種拓?fù)錇樾滦屯負(fù)?。根?jù)母線側(cè)電流為低紋波的要求，可以把這些拓?fù)浞殖蛇m用于BDR和適用于BCR 的拓?fù)洌謩e對(duì)其特性進(jìn)行分析比較可以發(fā)現(xiàn)：已存在的拓?fù)銲Ia-1 與IIb-3 只能實(shí)現(xiàn)1+2D的電壓增益，且脈動(dòng)電流的高值為低值的2 倍。而本文提出的部分新拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)更大的電壓增益，或者脈動(dòng)更小的電流，因此本文提出的新拓?fù)淇蔀椴煌β实燃?jí)PCU 中的BDR和BCR 提供最優(yōu)拓?fù)溥x擇。
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陳 騫 鄭瓊林 李 艷
（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）
1 引言
電流連續(xù)型直流變換器是指任意時(shí)刻輸入輸出電流均大于零的變換器，相比于一側(cè)電流斷續(xù)的傳統(tǒng)直流變換器，電流連續(xù)型直流變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)[1,2]：
（1）降低電磁干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性能。
（2）減小濾波元件的體積，提高功率密度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
（3）減小電流應(yīng)力，提高電路效率。
（4）利于準(zhǔn)確檢測(cè)和反饋電流信號(hào)，提高均流度和遙測(cè)精度。
電源控制器（Power Conditioning Unit,PCU）是衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池陣-蓄電池混合供電系統(tǒng)，它為衛(wèi)星上所有負(fù)載提供能量。根據(jù)母線電壓調(diào)節(jié)方式的不同，PCU 可以分為全調(diào)節(jié)母線、部分調(diào)節(jié)母線和不調(diào)節(jié)母線三種，其中全調(diào)節(jié)母線的PCU 屬于三域調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所謂三域調(diào)節(jié)指的是 PCU 在S3R(sequential shunt switching regulation)域、BDR域和BCR 域內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的精確控制[3-9]，因此母線電壓品質(zhì)最優(yōu)。PCU 系統(tǒng)中蓄電池與母線共地，同時(shí)為延長(zhǎng)蓄電池壽命，滿足0.5%的母線電壓紋波要求，BDR、BCR 一般不采用一側(cè)電流斷續(xù)的傳統(tǒng) DC-DC 拓?fù)洌x用非隔離電流連續(xù)型DC-DC 變換器。
Add on smart、Superboost 均屬于非隔離電流連續(xù)型拓?fù)?。由于主電路不含變壓器，Superboost 拓?fù)鋄10,11]具有較小的體積和較高的效率，但是其MOS管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗較高，主電路傳遞函數(shù)為四階系統(tǒng)，且含有右半平面零點(diǎn)，因此其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣；此外Superboost 的MOS 管S 極電位低于-5V，不能使用IR2110 等常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)芯片，因此驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。而Add on smart[12]雖然為二階系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，但屬于兩級(jí)式的變換器，且器件數(shù)較多，損耗較大，很難滿足效率要求。為了結(jié)合上述兩種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免其缺點(diǎn)，傳統(tǒng)Weinberg 變換器于1992 年首次提出[13]，經(jīng)過(guò)近十年的研究和發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于PCU 系統(tǒng)中。傳統(tǒng)Weinberg 變換器的輸入輸出電流連續(xù)，其中輸入電流呈脈沖狀，輸出電流在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電流的平均值等于關(guān)斷時(shí)的平均值，在本文中稱(chēng)之為低紋波電流。此外該拓?fù)溥€具有變壓器不易偏磁、控制系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)、效率較高等優(yōu)勢(shì)[14-16]。
從傳統(tǒng)Weinberg 拓?fù)渖峡?，改變耦合電感的接法、推挽單元的結(jié)構(gòu)以及耦合電感與推挽單元的連接方式可以衍生出許多不同的拓?fù)洌虼吮疚奶岢隽嘶隈詈想姼械碾娏鬟B續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞母拍?，該?lèi)拓?fù)鋵儆谏龎盒屯負(fù)?。相比于單電感拓?fù)?，此?lèi)拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：
（1）保證相同的電感量的情況下耦合電感的體積更小，重量更輕，效率更高，這在航天領(lǐng)域尤為可貴。
（2）電路組成更靈活，可以根據(jù)不同要求選擇合適的拓?fù)?，選擇空間更大。
（3）部分拓?fù)渲恍韪淖冊(cè)驯燃纯蓪?shí)現(xiàn)輸入電流低紋波或者輸出電流低紋波，既可用于BDR 也可用于BCR 場(chǎng)合。
為提高效率、減小脈動(dòng)電流的紋波以及針對(duì)不同功率等級(jí)PCU 中的BDR和BCR 提供最優(yōu)拓?fù)溥x擇，本文著重研究帶耦合電感的電流連續(xù)型推挽拓?fù)涞耐蒲芊椒ㄒ约疤匦浴?/p>
2 五種非隔離型推挽單元
圖1 為傳統(tǒng)推挽式變換器，該拓?fù)錇楦綦x型拓?fù)洹榈玫椒歉綦x型推挽變換器，將傳統(tǒng)推挽單元的變壓器二次中抽H 連接至電源輸入正端，輸入輸出共地，得到I 類(lèi)推挽單元[17]，如圖2a 所示。將變壓器二次中抽H 連接至推挽單元的E 端，并將二極管分別連接至MOS 管的VD 極得到II 類(lèi)推挽單元[13]，即為Weinberg 拓?fù)涞耐仆靻卧鐖D2b 所示。在II 類(lèi)推挽單元的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)變壓器繞組，并改變二極管、MOS 管與變壓器的接法以改變輸入輸出電壓的關(guān)系，從而得到III、IV 類(lèi)推挽單元[12,17]，如圖2c和圖2d 所示。也可將變壓器二次中抽直接連至輸入地端得到V 類(lèi)推挽單元，如圖2e 所示。
圖1 傳統(tǒng)推挽式變換器Fig.1 Traditional push-pull converter
圖2 五種新型推挽單元Fig.2 Five kinds of new push-pull cell
I、V 類(lèi)推挽單元的變壓器一二次固定，MOS管與變壓器的一次相連；II、III、IV 類(lèi)推挽單元的變壓器一二次由Q1、Q2的開(kāi)關(guān)時(shí)序決定，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Ns為一次，當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)Np為一次，MOS 管對(duì)稱(chēng)分布在變壓器的一次和二次。如果變壓器的匝比不為1，推挽單元I、V 只需要分析兩種模態(tài)，而推挽單元II、III、IV 則需要分析三種模態(tài)。
3 拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)
基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由輸入電源、耦合電感、推挽變換單元、續(xù)流二極管、電容以及負(fù)載構(gòu)成。不論Q1、Q2關(guān)斷還是導(dǎo)通，耦合電感的一次始終流過(guò)電流保證輸入電流連續(xù)。當(dāng)Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由推挽單元提供；當(dāng)Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流由續(xù)流二極管提供，因此推挽單元與續(xù)流二極管相互配合使得輸出電流連續(xù)。只需適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合電感與變壓器的匝比即可實(shí)現(xiàn)一側(cè)電流低紋波，可見(jiàn)耦合電感、續(xù)流二極管和推挽單元是基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞暮诵摹?/p>
圖3 基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)Fig.3 General structure of continuous current push-pull based topology with coupling inductor
耦合電感有正反兩種接法，如圖4 所示。每種耦合電感與外部電路有六種連接方法，見(jiàn)表1。但組合1 與組合6 等效，組合2 與組合5 等效，組合3 與組合4 等效。因此每種推挽單元的拓?fù)渥灏? 種拓?fù)?，五種推挽單元一共是30 種拓?fù)洹?/p>
圖4 三端子耦合電感Fig.4 Three-terminal coupling inductor
表1 三端子耦合電感與外部電路的六種連接方法Tab.1 Six ways of configuring three-terminal coupling inductor to external circuit
4 五類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓纳?/h2>
根據(jù)以上所述的拓?fù)渖稍瓌t，可以得到各類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?，?jiàn)表2，其中除了拓?fù)銲Ia-1[13]和IIb-3[16]由前人提出，其余拓?fù)渚鶠槭状翁岢龅男峦負(fù)洹Ｍ負(fù)銲a-3、IIa-3、IIIa-3、IVa-3、Va-3 由于耦合電感無(wú)法續(xù)流，不能正常工作，因此不在本文的討論范圍之內(nèi)。下面根據(jù)推挽單元的不同，分別研究各類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓奶匦?。下文各?lèi)拓?fù)渲械鸟詈想姼性驯榷x為N1=Np1/Ns1，變壓器匝比定義為N2=Np/Ns，Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)流過(guò)耦合電感的電流定義為i1。
表2 基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)鋱D的編號(hào)Tab.2 Figure numbers for continuous current push-pull based topology with coupling inductor
4.1 I 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
I 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D5 所示。相比于傳統(tǒng)的電流饋電式推挽拓?fù)?，該族拓?fù)渫ㄟ^(guò)增加一只續(xù)流二極管VD，使耦合電感直接通過(guò)VD 向負(fù)載續(xù)流，從而保證輸入和輸出電流連續(xù)。
圖5 I 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.5 Circuit configurations with I type push-pull cell
對(duì)于拓?fù)銲a-1，輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1/(N1+1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1+1)i1/(N1+1)，低值為N1i1/(N1+1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1+2D)Vin/N1。
要使拓?fù)?Ia-2 的輸入電流為低紋波需滿足N2=1/N1，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為(N1+1)i1/N1，低值為i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(N1+1)Vin/(N1+1-2N1D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=(N1+1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1+1)i1/N1，低值為(N1+1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1+1)Vin/(N1+1)。
為保證拓?fù)銲b-1 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。要使輸入電流低紋波需滿足N2=1/(N1-1)，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為N1i1/(N1-1)，低值為i1/(N1-1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=N1Vin/(N1-2DN1+2D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1/(N1-1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1-1)i1/(N1-1)，低值為N1i1/(N1-1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D-2D+N1)Vin/N1。
對(duì)于拓?fù)銲b-2，為保證Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)耦合電感處于充電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=(N1-1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(2N1-1)i1/N1，低值為(N1-1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2N1D+N1-1)Vin/(N1-1)。
對(duì)于拓?fù)?Ib-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2+1，此時(shí)輸出電流呈脈沖狀，且高值為N1i1，低值為(N1-1)i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=N1Vin/(N1-2D)；要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為(N1+1)i1，低值為N1i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(2D+N1)Vin/N1。
4.2 II 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
II 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D6 所示。其中拓?fù)銲Ia-1 為最早提出的Weinberg 變換器，拓?fù)銲Ia-2、IIb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖10 中的拓?fù)銩。拓?fù)銩 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流低紋波，為滿足Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)電感電流的變化量相等，需保證N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-D)。令續(xù)流二極管VD 的陽(yáng)極電壓為VVD+，變壓器一二次共同連接點(diǎn)電壓為Vct，耦合電感一次電壓為Vp1，二次電壓為Vs1。
圖6 II 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.6 Circuit configurations with II type push-pull cell
圖7 III 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.7 Circuit configurations with III type push-pull cell
圖8 IV 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.8 Circuit configurations with IV type push-pull cell
圖9 V 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥咫娐方Y(jié)構(gòu)Fig.9 Circuit configurations with V type push-pull cell
圖10 圖6b、圖6d和圖6f 的等效拓?fù)銩Fig.10 Equivalent topology A of Fig.6b、Fig.6d and Fig.6f
拓?fù)銲Ia-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
拓?fù)?IIa-2 中續(xù)流二極管 VD 的陽(yáng)極電壓VVD+=Vin+Vp1，變壓器共同連接點(diǎn)的電壓Vct=Vin+Vp1(1+1/N1)，因此Vct＞VVD+，電感電流直接經(jīng)過(guò)變壓器一二次續(xù)流，該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銩。
為保證拓?fù)銲Ib-1 的二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銩。
對(duì)于拓?fù)銲Ib-2，為保證耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=2N2=2，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
要使拓?fù)?IIb-3 的輸入電流為低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)?A；要使輸出電流低紋波需滿足N2=2N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為0.5i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D)Vin。
4.3 III 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
III 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D7 所示。其中拓?fù)銲IIa-2、IIIb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖11 中的拓?fù)銪。拓?fù)銪 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流零紋波，為滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)等效開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感電流正向變化量與負(fù)向變化量相等，需滿足N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-2D/3)。
圖11 圖7b、圖7d、圖7f 的等效拓?fù)銪Fig.11 Equivalent topology B of Fig.7b、Fig.7d、Fig.7f
拓?fù)銲IIa-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=2N2=2，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
拓?fù)銲IIa-2 可以等效為拓?fù)銪。
對(duì)于拓?fù)銲IIb-1，為保證二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，Vct=可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銪。
為保證拓?fù)銲IIb-2 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N1=3N2=3，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
對(duì)于拓?fù)銲IIb-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銪；要使輸出電流低紋波需滿足N2=1.5N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為2i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+D)Vin。
4.4 IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥迦鐖D8 所示。其中拓?fù)銲Va-2、IVb-1 由于耦合電感的續(xù)流回路不經(jīng)二極管VD，因此可以等效為圖12 中的拓?fù)銫。拓?fù)銫 只能實(shí)現(xiàn)輸入電流零紋波，為滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)等效開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感電流正向變化量與負(fù)向變化量相等，需滿足N2=1，此時(shí)輸出電流高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系為Vout/Vin=1/(1-4D/3)。
圖12 圖8b、圖8d、圖8f 的等效拓?fù)銫Fig.12 Equivalent topology C of Fig.8b、Fig.8d、Fig.8f
拓?fù)銲Va-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=2N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
拓?fù)銲Va-2 可以等效為拓?fù)銫。
為保證拓?fù)銲Vb-1 的二極管VD 正常續(xù)流，需在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)滿足VVD+＜Vout。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，可見(jiàn)該拓?fù)淠苷９ぷ鞯那疤崾荖1＞1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃С赏負(fù)銫。
為保證拓?fù)銲Vb-2 的耦合電感在Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)處于充電狀態(tài)，在Q1和Q2關(guān)斷時(shí)處于放電狀態(tài)，需使N1＞1。該拓?fù)漭斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波，而輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=2N1/3=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
對(duì)于拓?fù)銲Vb-3，要使輸入電流低紋波需滿足N1=N2=1，此時(shí)該拓?fù)淇梢缘刃橥負(fù)銫；要使輸出電流低紋波需滿足N2=3N1=1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為i1/3，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin。
4.5 V 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?/h3>
圖9 為V 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥?。與I 類(lèi)推挽拓?fù)洳煌氖荲 類(lèi)推挽拓?fù)鋵⒆儔浩鞫沃谐檫B接至一次的地端。由于MOSFET 開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)流過(guò)耦合電感的電流不相等，因此V 類(lèi)推挽拓?fù)涞妮斎腚娏鞑豢赡軐?shí)現(xiàn)低紋波。
拓?fù)銿a-1 的輸出電流要實(shí)現(xiàn)低紋波必須滿足N2=N1/(N1+1)，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為N1i1/(N1+1)，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1+2D/N1)Vin。
拓?fù)銿a-2、Vb-1 的輸入電流、輸出電流均不能實(shí)現(xiàn)低紋波。
對(duì)于拓?fù)銿b-2，為保證Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)耦合電感處于充電狀態(tài)，需使N1＞1。要使輸出電流為低紋波需滿足N2=(N1-1)/N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為(N1-1)i1/N1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=[1+2D/(N1-1)]Vin。
對(duì)于拓?fù)銿b-3，為保證耦合電感正常充放電，需使N1＜1。要使輸出電流低紋波需滿足N2=N1，此時(shí)輸入電流呈脈沖狀，且高值為i1，低值為N1i1，輸入輸出電壓關(guān)系滿足Vout=(1-2D+2D/N1)Vin。
5 拓?fù)溥x擇與應(yīng)用
5.1 拓?fù)湟?guī)律總結(jié)
根據(jù)以上分析總結(jié)出的規(guī)律如下：
（1）耦合電感a 為正接，耦合電感b 為反接，為實(shí)現(xiàn)相同的電流紋波，耦合電感b 的匝數(shù)、體積和重量高于耦合電感a。因此基于耦合電感a 的拓?fù)涞墓β拭芏雀蟆?/p>
（2）與其他幾種組合不同，在所有基于耦合電感b 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯校M合3、4 的耦合電感一二次不可能同時(shí)流過(guò)電流，因此為實(shí)現(xiàn)相同的電流紋波，其耦合電感的匝數(shù)、體積和重量比組合1、2、5、6 的小。在所有拓?fù)渲?，基于耦合電感b，且組合為3、4 的推挽拓?fù)涞鸟詈想姼袑?dǎo)通損耗最小。
（3）在所有基于耦合電感a 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯?，組合3和4 得到的拓?fù)涫遣荒苷９ぷ鞯?，這是因?yàn)楫?dāng)Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管VD的陽(yáng)極電壓VVD+=Vin-Vs1＜Vout，因此續(xù)流二極管不能導(dǎo)通，耦合電感沒(méi)有續(xù)流回路。
（4）在所有基于耦合電感b 的五種推挽單元的拓?fù)渥逯?，組合1、6、2、5 得到的拓?fù)淙裟苷９ぷ鞅仨殱M足N1＞1。由于耦合電感b 為反接，為防止耦合電感一二次串聯(lián)運(yùn)行時(shí)感值過(guò)小，一般將N1取為大于2。
（5）由于II、III、IV 類(lèi)推挽單元一二次不固定，為保證Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)電感電流的變化量相等，需滿足N2=1，而I 類(lèi)推挽單元一二次固定，因此輸入或輸出電流為低紋波時(shí)，N1、N2并不是確定的值。
（6）II、III、IV 類(lèi)推挽單元的拓?fù)渥逯?，III 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓腣out/Vin變化范圍較小，IV 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥宓腣out/Vin變化范圍較大，II 類(lèi)推挽單元拓?fù)渥鍎t介于兩者之間。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可以選取合適的拓?fù)洹?/p>
（7）由于II、III、IV 類(lèi)推挽單元從本質(zhì)上看是一樣的，因此其生成的拓?fù)渥逡簿哂邢嗨频奶匦?。在基于耦合電感a 的拓?fù)渲?，組合2、4 始終滿足Vct＞VVD+，因此耦合電感只通過(guò)變壓器一二次續(xù)流，而不經(jīng)過(guò)二極管，此時(shí)拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)?。在基于耦合電感b 的拓?fù)渲校菇M合1、6、2、5正常工作，需滿足N1＞1，此時(shí)基于組合1、6 的拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)洌唤M合3、4 的耦合電感若要通過(guò)續(xù)流二極管VD 續(xù)流，需滿足N1＜1，當(dāng)組合3、4 的輸入電流為低紋波時(shí)，拓?fù)淇梢缘刃閱坞姼型負(fù)?。等效得到的單電感拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)輸入電流低紋波，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出電流低紋波。
5.2 PCU 系統(tǒng)中的應(yīng)用
PCU 采用三域控制，根據(jù)母線側(cè)電流的不同將主誤差放大器的輸出電壓信號(hào)從小到大劃分成三個(gè)控制域，分別對(duì)應(yīng)為BDR 域、BCR 域、S3R 域，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。在三個(gè)控制域之間設(shè)置有死區(qū)，從而保證域間正常切換。為精確控制，以母線側(cè)電流為低紋波作為BDR、BCR 拓?fù)涞倪x擇標(biāo)準(zhǔn)。本文研究的推挽類(lèi)拓?fù)錇樯龎和負(fù)?，因此輸入電流連續(xù)的拓?fù)溥m用于蓄電池電壓高于母線電壓PCU 系統(tǒng)中的BCR，輸出電流連續(xù)的拓?fù)溥m用于蓄電池電壓低于母線電壓PCU 系統(tǒng)中的BDR。依據(jù)上述分類(lèi)原則，將圖5～圖9 中的所有拓?fù)浞殖蓛深?lèi)。
表3、表4 分別列出了適用于BDR和BCR 的非隔離電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)涞奶匦?。? 中的最小Vbat和表4 中的最大Vbat均是在母線電壓為42V，開(kāi)關(guān)管最大占空比為0.5 的條件下求得。
6 試驗(yàn)結(jié)果
現(xiàn)有的PCU 系統(tǒng)蓄電池電壓Vb為20～32V，母線電壓為42V，考慮到該系統(tǒng)需要較大的電壓增益，傳統(tǒng)的Weinberg 拓?fù)錈o(wú)法達(dá)到，在所有提出的拓?fù)渲兄挥休斎胼敵鲭妷宏P(guān)系滿足Vout=(1+4D)Vin的拓?fù)洳拍軡M足系統(tǒng)的需要。為驗(yàn)證理論分析的正確性，本文研制基于拓?fù)銲Va-1 的試驗(yàn)樣機(jī)。由于拓?fù)銲Va-1 的輸入電流不可能實(shí)現(xiàn)低紋波，因此該拓?fù)渲贿m用于BDR。試驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)如下：負(fù)載電流iload范圍：1～8A，耦合電感：一次自感15μH，二次自感60μH，互感29.6μH，變壓器匝比：1:1:1:1，母線電容600μF，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，MOSFET 型號(hào)：FB260N，二極管型號(hào)：30CPQ150。
表3 適用于BDR 應(yīng)用場(chǎng)合的變換器的特性比較(Vbat=Vin,Vbus=Vout=42V,Dmax=0.5)Tab.3 Performance comparison of regulators for battery discharge application
表4 適用于BCR 應(yīng)用場(chǎng)合的變換器的特性比較(Vbat=Vout,Vbus=Vin=42V,Dmax=0.5)Tab.4 Performance comparison of regulators for battery charge application
蓄電池電壓為 20V，負(fù)載電流為 8A 時(shí)拓?fù)銲Va-1 的輸入輸出電流波形如圖13 所示，蓄電池電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)的輸入輸出電流波形如圖14 所示。由圖13、14 可知，拓?fù)銲Va-1 的輸出電流為低紋波，但在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)存在電流尖峰，這是由變壓器的漏感釋放能量引起的，隨著漏感值的增加，尖峰變大。拓?fù)銲Va-1 的輸入電流呈脈動(dòng)狀，其高值為三倍輸出電流，低值為輸出電流。
圖13 蓄電池電壓為20V，負(fù)載電流為8A 時(shí)的輸入輸出電流波形Fig.13 Input and output current waveforms when Vb=20V and iload=8A
圖14 蓄電池電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)的輸入輸出電流波形Fig.14 Input and output current waveform when Vb=32V and iload=1A
拓?fù)銲Va-1 的效率曲線如圖15 所示。由圖可知所有工況下，輸入電壓為20V，負(fù)載電流為8A 時(shí)效率最低，為94.8%；輸入電壓為32V，負(fù)載電流為1A 時(shí)效率最高，為97.58%?？梢?jiàn)負(fù)載越重，輸入電壓越低，拓?fù)銲Va-1 的效率越低。
圖15 拓?fù)銲Va-1 的效率曲線Fig.15 Efficiency curve of topology IVa-1
7 結(jié)論
基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)渲饕詈想姼?、推挽變換單元和續(xù)流二極管三部分。其中耦合電感有兩種，推挽單元有五種，耦合電感與推挽單元又有六種組合形式。不重復(fù)計(jì)及等效拓?fù)?、排除不能正常工作的拓?fù)?，可生?5 種基于耦合電感的電流連續(xù)型推挽類(lèi)拓?fù)洌渲杏?3 種拓?fù)錇樾滦屯負(fù)?。根?jù)母線側(cè)電流為低紋波的要求，可以把這些拓?fù)浞殖蛇m用于BDR和適用于BCR 的拓?fù)洌謩e對(duì)其特性進(jìn)行分析比較可以發(fā)現(xiàn)：已存在的拓?fù)銲Ia-1 與IIb-3 只能實(shí)現(xiàn)1+2D的電壓增益，且脈動(dòng)電流的高值為低值的2 倍。而本文提出的部分新拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)更大的電壓增益，或者脈動(dòng)更小的電流，因此本文提出的新拓?fù)淇蔀椴煌β实燃?jí)PCU 中的BDR和BCR 提供最優(yōu)拓?fù)溥x擇。
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