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        三電平Buck變換器的設(shè)計與仿真

        2020-06-29 12:34:31劉冰
        機(jī)電信息 2020年15期
        關(guān)鍵詞:工作原理

        摘 要:三電平變換器具有降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力,改善輸出濾波器工作條件的優(yōu)勢?,F(xiàn)針對三電平Buck變換器進(jìn)行了詳細(xì)分析,闡述了系統(tǒng)的工作原理、參數(shù)設(shè)計和外特性,為驗(yàn)證三電平Buck變換器的工作原理以及參數(shù)設(shè)定,利用SABER仿真軟件進(jìn)行仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

        關(guān)鍵詞:三電平Buck變換器;工作原理;參數(shù)設(shè)定;SABER仿真

        0? ? 引言

        開關(guān)電源技術(shù)是一種結(jié)合了電力變化、現(xiàn)代電子、自動控制等多種學(xué)科的新型技術(shù),而開關(guān)電源的核心就是直流變換器。直流變換器將輸入的直流電壓,利用高頻斬波或高頻逆變后,通過整流和濾波環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)換成人們所需要的直流電壓。同時,由于直流變換器在開關(guān)電源領(lǐng)域的重要性和對其未來發(fā)展的期望,人們對其性能、重量、體積等各個方面提出了更高的要求[1-3]。

        三電平變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力,因此適用于輸入或輸出電壓較高的場合。而有部分變換器還可以大大減小儲能元件,如濾波電感、電容的大小,從而改善變換器的性能,減小設(shè)備體積和重量[4-5]。

        本文主要介紹和分析了三電平Buck變換器(Buck TL)的工作原理,并通過對Buck TL變換器的仿真分析來驗(yàn)證其工作特性。

        1? ? Buck TL工作原理

        Buck TL變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中Cd1和Cd2為兩個容量相等且容量很大的分壓電容,故而兩者所分擔(dān)電壓均為輸入電壓的一半,即VCdl=VCd2=Vin/2。Q1、Q2是兩只參數(shù)相同的開關(guān)管,D1和D2為續(xù)流二極管,Lf與Cf分別為濾波電感和濾波電容,Rf是負(fù)載。

        Q1和Q2采取交錯控制,即開關(guān)信號相差180°相角。當(dāng)開關(guān)管的占空比大于0.5時,Rf上的電壓為三電平波形,Buck TL變換器工作在三電平模式;當(dāng)開關(guān)管的占空比小于0.5時,工作在兩電平模式。因此下面對兩種情況分別分析。在分析之前,作如下假設(shè):(1)所有器件均為理想器件;(2)Cd1=Cd2且足夠大,各自保持Vin/2,可看做獨(dú)立的電壓源;(3)輸出電容足夠大。

        1.1? ? 占空比大于0.5時

        圖2為D>0.5時的主要波形。

        由圖2可知,在一個周期T內(nèi),Buck TL變換器工作在4種不同的狀態(tài),如圖3所示。

        1.1.1? ? 階段l[t0,tl]

        如圖3(a)所示,在此階段內(nèi),Q1與Q2均開通,濾波器上電壓為Vin,D1和D2上的電壓均為輸入電壓的一半,濾波電感Lf的電流線性增加。其電流變化為:

        iLf(t)=iLf(tl)+(t-t0)? ? ? ? ? ?(1)

        1.1.2? ? 階段2[tl,t2]

        如圖3(b)所示,t1時Q1關(guān)斷,Q2保持開通,D1導(dǎo)通。此時有VAB=Vin/2,Q1和D2上電壓為Vin/2;濾波電感電流Lf電流線性下降。

        iLf(t)=iLf(tl)+(t-t1)? ? ? ? ? ?(2)

        1.1.3? ? 階段3[t2,t3]

        t2時開通Ql,Q2繼續(xù)導(dǎo)通,進(jìn)入階段3。階段3與階段1相同,如圖3(a)所示。

        1.1.4? ? 階段4[t3,t4]

        t3時關(guān)斷Q2,Ql保持開通,D2導(dǎo)通,進(jìn)入階段4,等效電路如圖3(c)所示。電路工作情況同階段2相同。

        由其主要波形圖可知:

        Vo= vabdt

        =Vin[(t1-t0)+(t3-t2)]

        +[(t2-t1)+(t4-t3)]

        =Vin·

        ×2+

        (2Toff)

        =D·Vin? ? ? ? ?(3)

        ΔILf_H=ILf max_H-ILf min_H

        =ILf (t1)-ILf (t0)

        =(t1-t0)

        =? ? ? ? ? ? ? ? (4)

        Io=(ILf max_H+ILf min_H)? ? ? (5)

        式中,Ts為開關(guān)管的工作周期,Ts=1/fs,fs是開關(guān)管的導(dǎo)通頻率;Ton為開關(guān)管的導(dǎo)通時間;Toff為開關(guān)管的關(guān)斷時間;D定義為開關(guān)管的占空比,D=Ton/Ts;ΔILf_H、ILf max_H和ILf min_H分別為D>0.5時的電感電流脈動值、電感電流最大值和最小值。

        1.2? ? 占空比小于0.5時

        當(dāng)開關(guān)管的占空比小于0.5時,Buck TL變換器工作在兩電平狀態(tài),其主要工作波形圖如圖4所示。一個開關(guān)周期同樣包括4個階段。

        1.2.1? ? 階段l[t0,tl]

        Q1導(dǎo)通,D2導(dǎo)通,VAB=Vin/2,Q2和Dl上的電壓為Vin/2。

        iLf(t)=ILf(t0)+(t-t0)? ? ? ? ? ? ? (6)

        1.2.2? ? 階段2[t1,t2]

        t1時Q1關(guān)斷,此時Q2還未開通,Dl和D2導(dǎo)通。VAB=0,Ql、Q2兩端電壓均為Vin/2。

        iLf(t)=ILf(t1)-(t-t1)? ? ? ? (7)

        1.2.3? ? 階段3[t2,t3]

        t2時開通Q2,進(jìn)入階段3。階段3與階段1相類似。

        1.2.4? ? 階段4[t3,t4]

        t3時關(guān)斷Q2,電路進(jìn)入開關(guān)模態(tài)4,同階段2工作情況相同。

        Vo= vABdt=·[(t0-t1)+(t3-t2)] =DVin? ? ? (8)

        ΔILf_L=ILf max_L-ILf min_L

        =Ton

        =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)

        Io=(ILf max_L+ILf min_L)? ? ? ? ?(10)

        式中,ΔILf_L、ILf max_L、ILf min_L分別為D<0.5時電感電流脈動值、電感電流最大值和最小值。

        2? ? Buck TL變換器外特性分析

        在占空比不變的條件下,變換器輸出電壓與輸出電流的關(guān)系Vo=f(Io)|D稱為變換器的外特性。變換器的外特性同樣分為兩種情況,即電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù),下面分別討論。

        2.1? ? 電感電流連續(xù)

        由式(3)和式(8)知道,當(dāng)ILf連續(xù)時,有:

        Vo=VinD? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(11)

        2.2? ? 電感電流斷續(xù)

        當(dāng)濾波電感太小時,將導(dǎo)致電感電流斷續(xù)。由圖1和圖2可知,當(dāng)負(fù)載電流減小到0,使ILf min=0時,ΔILf=ILf max,此時的負(fù)載電流Io min即為電感臨界連續(xù)電流IG,此時變換器的外特性仍滿足關(guān)系式:

        IG=Io min=ILf max=ΔILf? ? ? ? ? (12)

        下面將分別在占空比大于0.5與占空比小于0.5時討論變換器電感電流斷續(xù)的工作情況。

        2.2.1? ? D>0.5

        由式(4)(11)和(12)可以得到D>0.5時的臨界連續(xù)電流IG_H:

        IG_H=(1-D)(2D-1)? ? ? ? ? ? ? ? (13)

        式(13)表明IG_H與占空比D的關(guān)系為二次函數(shù),所以當(dāng)D=0.75時,IG_H達(dá)到最大值:

        IG_H max=? ? (14)

        將式(14)代入式(13),可得:

        IG_H=8IG_H max(1-D)(2D-1)? ? ? ?(15)

        在D>0.5時,若電感電流大于IG_H,Buck TL工作在電流連續(xù)狀態(tài),輸入、輸出電壓比與負(fù)載電流無關(guān),滿足式(11);一旦電流小于IG_H,電路就會轉(zhuǎn)入電流斷續(xù)狀態(tài),此時的波形圖如圖5所示。

        此時:

        Io=·(ΔiONTON′+ΔiOFF′TOFF′)? (16)

        式中,TON′為電流上升時間;TOFF′為電流下降時間。

        ΔiON=(Vin-Vo)TON′? ? ? ? ? ? (17)

        ΔiOFF′=Vo-

        TOFF′? ? ? ? (18)

        穩(wěn)態(tài)時有ΔiON=ΔIOFF′,由式(17)與(18)可得:

        TOFF′=TON′? ? ? (19)

        TON′=Ts? ?(20)

        將式(14)(16)(17)和(20)聯(lián)立,得到:

        Io/IG_H max=8(2D-1)2? ? ? ?(21)

        從而有:

        =? ? ? ? ? ? ? ? ?(22)

        式(22)即為D>0.5時變換器的外特性。

        2.2.2? ? D<0.5

        在D<0.5時,由式(9)(11)和(12)可以得到臨界電流IG_L:

        IG_L=D(1-2D)? ? ? ? ? ? (23)

        式(23)表明IG_L與占空比D為二次函數(shù)關(guān)系,則易得當(dāng)D=0.25時,臨界電流達(dá)到最大值,其值為:

        IG_L max=? ? ? ? ? ? ? (24)

        將式(24)代入式(23),得出:

        IG_L=8IG_L maxD(1-2D)? ? ? (25)

        類似于D>0.5,在D<0.5時,如果電感電流大于IG_L,Buck TL將工作在電流連續(xù)狀態(tài),輸入、輸出電壓比與負(fù)載電流無關(guān),滿足式(11);一旦電感電流小于IG_L,變換器將工作在電感電流斷續(xù)狀態(tài),波形如圖6所示。

        此時:

        Io=·(ΔiONTON+ΔiOFF′TOFF′)? ? ? ? (26)

        式中,TON為開關(guān)管的導(dǎo)通時間,亦即電感電流上升時間;TOFF′為電感電流下降到零的時間。

        ΔiON=

        -VoTON′? ? ? ? (27)

        ΔiOFF′=TOFF′? ? ? ? ?(28)

        穩(wěn)態(tài)時ΔiON=ΔiOFF′,則有:

        TOFF′=TON′? ? ? ? ? ? ?(29)

        將式(24)(26)(27)和(28)聯(lián)立,得到:

        Io/IG_L max=8D2? ? ? ? ? (30)

        由式(30)可得:

        =? ? ? ? ? ? ? ? (31)

        這就是變換器在D<0.5時電感電流斷續(xù)時的外特性。

        3? ? 仿真結(jié)果分析

        仿真主要為針對所設(shè)計的輸入在400~500 V變化,穩(wěn)定輸出200 V的Buck TL變換器的性能分析。分別仿真輸入電壓為400 V、450 V與500 V的三種情況,分別從fs、Vo、Io、ΔVo、ΔIo以及Q1、Q2控制信號的占空比變換來分析此Buck TL變換器的工作性能。

        3.1? ? 開關(guān)頻率fs

        SG3525經(jīng)變壓器隔離后輸出控制信號如圖7所示。從圖7中可以得出,在0.1 ms內(nèi)存在3個周期,則易得其控制信號頻率為30 kHz,故開關(guān)頻率fs也為30 kHz。

        3.2? ? 輸出電壓Vo

        不同輸入電壓下,系統(tǒng)輸出電壓如圖8所示。從分析結(jié)果來看,當(dāng)Vin=450 V和500 V時,輸出信號都略小于設(shè)計要求的200 V,但差別并不是很大。但Vin=400 V時則有明顯的誤差,這是因?yàn)槿绻斎霝?00 V,而要求輸出為200 V,在電感電流連續(xù)的情況下,理論上開關(guān)開通占空比應(yīng)為50%,而由于SG3525最大輸出占空比僅為48.5%,故誤差較大。

        3.3? ? 輸出電壓紋波ΔVo

        理論設(shè)計的紋波電壓應(yīng)為2 V,忽略輸出電壓偏低的影響,從圖8可得,三種情況下輸出電壓紋波均滿足要求。

        3.4? ? 輸出電流Io

        不同輸入電壓下,系統(tǒng)輸出電流如圖9所示??梢悦黠@看出,在Vin=400 V時,由于輸出電壓過低,導(dǎo)致輸出電流也比設(shè)計值小了接近1 A。而Vin=450 V和Vin=500 V兩種情況均得到了較好的電流波形。

        3.5? ? 輸出電流紋波ΔIo

        電流脈動的設(shè)計值為0.5 A,從圖9可以看出,以上3種情況均滿足要求。

        3.6? ? 輸出功率

        不同輸入電壓下,系統(tǒng)輸出功率如表1所示。由表1可知,當(dāng)Vin=400 V時,由于SG3525芯片的限制,導(dǎo)致輸出功率與目標(biāo)功率有較大誤差,而Vin=450 V和Vin=500 V時的輸出功率雖然有一定誤差,但均在可接受范圍內(nèi)。

        4? ? 結(jié)語

        本文對Buck TL變換器做了詳細(xì)分析,并利用SABER軟件對系統(tǒng)原理和工作特性進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了理論分析的正確性。

        [參考文獻(xiàn)]

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        收稿日期:2020-04-02

        作者簡介:劉冰(1969—),男,江蘇人,研究方向:電力系統(tǒng)、電力電子。

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