寇金華， 王武俊， 柴璐軍

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司， 陜西 西安 710018）

引言

近年來(lái)，隨著“節(jié)能減排”口號(hào)的提出，電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。為適應(yīng)電池組容量的增加以及快速充電的要求，要求對(duì)其供電的電源具有大電流輸出能力。因此，大電流DC-DC變換器的研究得到了眾多學(xué)者的重視[2]。

倍流整流電路采用交錯(cuò)并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)大電流輸出，較其它電路拓?fù)渚哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)[3-5]。本文詳細(xì)分析了倍流整流電路在實(shí)際應(yīng)用中由于兩電感寄生電阻不同引起的電感電流不均衡問(wèn)題。且在PSIM仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 倍流整流電路

圖1示出了全橋變換器拓?fù)洌漭敵鰝?cè)采取的是倍流整流電路（其中RL1和RL2分別兩電感的寄生電阻）。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的變壓器副邊帶中心抽頭的全波整流電路相比，倍流整流電路有以下優(yōu)點(diǎn)：減小了變壓器副邊繞組的電流有效值；變壓器利用率較高，無(wú)需中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；輸出電感電流紋波存在交錯(cuò)，從而有相當(dāng)一部分可以相互抵消，因此能夠減小輸出電壓紋波；雙電感也更適合于分布式功率耗散的要求。與橋式整流電路相比，倍流整流電路除具有上述的大部分優(yōu)點(diǎn)外，其采用的二極管數(shù)量要少一半，因而效率相對(duì)要高。因此，倍流整流電路結(jié)合了全波整流電路和橋式整流電路兩者的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，倍流整流電路要多采用一個(gè)濾波電感，但流過(guò)該電感的電流也只有全波或橋式整流的一半，因此，該電感可以做得更小。

圖1 帶倍流整流電路的全橋拓?fù)?/p>

當(dāng)假定所有器件均為理想器件時(shí)，可得圖1所示倍流整流電路的主要工作波形，如圖2所示。下面簡(jiǎn)要描述倍流整流電路的工作過(guò)程。

圖2 倍流整流電路主要工作波形

過(guò)程 1（t0—t1）：變壓器副邊電壓 VT極性為正，流過(guò)電感L1的電流iL1線性上升，流過(guò)電感L2的電流iL2線性下降，此時(shí)僅二極管D2正向?qū)ǎ?/p>

過(guò)程 2（t1—t2）：變壓器副邊電壓 VT為零，流過(guò)電感L1和L2電流iL1和iL2均線性下降，二極管D1和D2均正向?qū)ǎ?/p>

過(guò)程 3（t2—t3）：變壓器副邊電壓 VT極性為負(fù)，流過(guò)電感L1的電流iL1線性下降，流過(guò)電感L2的電流iL2線性上升，此時(shí)僅二極管D1正向?qū)ǎ?/p>

過(guò)程4（t3—t4）：過(guò)程4與過(guò)程1完全相同，這里不再贅述。

圖3 兩電感參數(shù)完全一致的穩(wěn)態(tài)電流波形

從上頁(yè)圖1主電路圖及圖2主要工作波形示意圖可以看出，倍流整流電路采用兩電感交錯(cuò)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而可以得到較小的輸出電流和電壓紋波。不難看出，在理想情況下，流過(guò)兩電感的電流具有相同的直流分量以及紋波峰峰值，它們僅在相位上存在差異。

2 存在的問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，元器件參數(shù)是很難保持完全一致的，尤其是元器件的一些寄生參數(shù)，如電感和電容寄生串聯(lián)電阻等。因此，需考慮寄生參數(shù)對(duì)電路穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的影響。下面主要分析當(dāng)兩電感寄生電阻值不相同時(shí)對(duì)倍流整流電路穩(wěn)態(tài)性能的影響。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)上頁(yè)圖1所示倍流整流電路的兩電感分別采用伏秒平衡可得

式中，IL1和IL2分別為流過(guò)兩電感的電流平均值，D為控制脈沖占空比，T為開(kāi)關(guān)周期。

簡(jiǎn)化式（1）（2），分別可得

由式（3）和（4）可知，流過(guò)兩電感的電流平均值IL1和IL2的比值為：

因此，當(dāng)時(shí) RL1≠RL2，有 IL1≠I(mǎi)L2。即兩電感寄生電阻值不同時(shí)，兩電感電流將具有不同的直流分量，且流過(guò)寄生電阻值相對(duì)較大電感的電流要小于流過(guò)寄生電阻值相對(duì)較小電感的電流。

在實(shí)際應(yīng)用中，倍流整流電路中兩電感寄生電阻參數(shù)極有可能存在較大偏差，從而導(dǎo)致電感電流極大不對(duì)稱，影響輸出電壓紋波，引起二極管D1和D2發(fā)熱不均，嚴(yán)重時(shí)甚至造成器件損壞。

此外，由以上分析過(guò)程可知，兩電感電流的不對(duì)稱性是由電感寄生電阻值的不一致引起的，而與電感值無(wú)關(guān)。由此不難看出，電感值大小的不一致不會(huì)導(dǎo)致兩電感電流直流分量的不同，而僅會(huì)影響電感電流紋波。所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量保持兩電感寄生電阻值一致，以避免兩電流不對(duì)稱問(wèn)題的出現(xiàn)。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，采用PSIM軟件搭建上頁(yè)圖1所示電路進(jìn)行仿真，主要電路參數(shù)如下：輸入電壓Vin=400 V，變壓器匝比N=5，輸出濾波電容C=6 800 μF，輸出電壓 Vo=12 V，輸出電流 Io=100 A。

圖3示出了兩電感參數(shù)完全相同時(shí)（L1=L2=8 μH，RL1=RL2=5 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，兩電感電流具有相同的紋波以及直流分量。

圖4 電感值不同但寄生電阻值相同的穩(wěn)態(tài)波形

圖4給出了兩電感具有相同電感值（L1=L2=8 μH）但寄生電阻值不同時(shí)（RL1=6 mΩ，RL2=3 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。對(duì)比圖3可以看出，兩電感電流不再具有相同的直流分量，流過(guò)電感L1的電流要明顯小于流過(guò)電感L2的電流，且IL1/IL2≈0.5，從而證明了理論分析的正確性。

圖5 電感值相同但寄生電阻值不同時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流波形

圖5給出了兩電感具有不同電感值（L1=7.5 μH L2=8.5 μH）但寄生電阻值相同時(shí)（RL1=RL2=5 mΩ）的兩電感電流穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，兩電感電流具有相同的直流分量，僅紋波存在不同。

4 結(jié)論

倍流整流電路因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際中有著廣泛應(yīng)用。本文分析了其在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題，從而可以更為深刻地認(rèn)識(shí)該電路，為更好地應(yīng)用該電路提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 封焯文，粟梅，孫堯，等.用于電動(dòng)汽車(chē)的雙向交錯(cuò)式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010（9）：16-17.

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