六重交错并联双向DC/DC变换器设计

作者 张钊1 王景芹1 王欢2 陆桂军2 郭永新2 1.河北工业大学 电气工程学院(天津 300130) 2.天津电气科学研究院有限公司(天津 300180)

张钊(1991-)，男，硕士生，研究方向：电器可靠性及检测技术。

摘要：双向DC/DC变换器是根据需求调节能量双向传输的直流到直流的变换器。交错并联技术在大功率、多重化DC/DC变换器应用广泛，可以用较低的开关频率获得较高开关频率的输出效果，能够有效减小变换器的纹波值。本文在单相DC/DC变换器的基础上，设计一种六重交错并联双向DC/DC变换器，能够提高系统的开关频率、降低纹波电流，从而提高电压和电流精度。最后通过仿真及实验分析结果表明，六重交错并联DC/DC变换器的纹波明显小于单相DC/DC变换器，有利于电能质量的提高，证明了结论的正确性。

引言

　　DC/DC变换器在直流电机传动、家电及电子设备等方面应用广泛，是一类重要的电源装置。随着应用范围的不断扩展，功率等级不断提高，DC/DC变换器的输出电流和输出功率也越来越大^[1]，这就对功率器件的电压、电流定额提出了更高的要求。

　　变换器并联运行可以在不增加功率器件性能的前提下提高其输出功率，交错并联技术是大电流DC/DC变换器经常使用的一类并联技术，具有开关电流小，输出电流纹波低，开关损耗小、输出电流纹波小等优点^[2-3]。本文在传统的单相DC/DC变换器的基础上，设计了一种开关频率较高的六重交错并联DC/DC变换器，进一步降低电压和电流纹波，从而减小滤波器等无源元件的体积，提高变换器的功率密度。

1 六重交错并联DC/DC变换器的设计

　　DC/DC变换器包括隔离型和非隔离型变换器，隔离型变换器通常会加入变压器来实现输入输出间的隔离，本文只讨论非隔离型变换器。DC/DC变换器的电压变换功能是用斩波电路来实现的，最基本的直流斩波电路是降压斩波电路(图1)和升压斩波电路(图2)^[4]。

　　降压斩波电路中，当开关管V开通时，负载电压U₀与输入电压U_i相同，当开关管关断时，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，因此，负载电压大小与开关管开通的时间长短有关，负载电压与输入电压的关系满足关系式(1)和(2)，即：

　　而双向DC/DC变换器主要用来实现的功能是能量既能升压又能降压的双向流动。如图3所示，将降压斩波电路和升压斩波电路组合在一起，成为一种电流双向可逆的斩波电路，可实现正向降压模式和反向升压模式^[5,6]。该电路中，V₁和VD₂构成降压电路，V₂和VD₁构成升压电路，在对V₁、V₂做PWM调制时要注意设置适当的死区时间，以免输入电压直通，损坏功率器件。

　　图3为基本的双向DC/DC变换器原理图，其输出只有一相，因此也称为单相DC/DC变换器。这类变换器的纹波电压较大，且受制于IGBT器件的生产工艺及成本，其输出功率难以提高。变换器并联方案可以提高输出功率，且具有可靠的结构设计、良好的冗余特性和便于标准化模块设计的优点^[7-8]，已在工业现场获得广泛应用，但直接并联不能解决变换器的电压、电流波动，为此，本文采用交错技术以提高并联后的电压、电流性能。

1.1 六重交错并联DC/DC变换器主回路分析

　　在公共直流母线系统中，负载端所需要的电压等级可能存在差异，因此需要用DC/DC变换器来实现电压的变换，满足不同电压等级的需要。本文所选的变换器主电路选用六重并联结构，得到一种新的交错并联DC/DC变换器主回路^[9]，如图4所示。

　　该电路由6个单相DC/DC变换器交错并联而成，每单相变换器包含两个IGBT开关管，可以实现电流的双向流动。输入端接在公共直流母线系统中，负载端可以接不同电压等级需要的直流电机或逆变器，也可以为蓄电池充电。该DC/DC变换器可实现能量从左到右的正向降压模式和能量从右到左的反向升压模式(如电动机的制动运行时向电源反馈能量)^[9]。

　　正向降压模式时，每相的上半部分开关管V11保持打开状态，下半部分开关管V12保持关断状态。反向升压模式时，开关管状态与正向时相反，每相的下半部分开关管V12保持开关状态，上半部分开关管V11保持关断状态。

1.2 六重交错并联DC/DC变换器工作性能分析

　　本文主要分析该变换器的正向降压模式，其反向升压模式工作方式同理可得。该变换器的正向降压模式是通过控制相应开关管的开关状态来实现的，每相的上半部分开关管V11保持正常的开关状态，下半部分开关管V12保持关断状态，其等效电路图如图5所示。因为采用的是交错并联控制，这里的关键是6个变换器的开关管驱动信号在时间上要分别相差1/6开关周期，总的输出电流为六个单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的6倍，脉动频率也为6倍。而由于六个单元电流的脉动幅值相互抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小，进而减小输出电流纹波，提高了电流精度。六重交错并联DC/DC变换器输出的等效开关频率将是单相DC/DC变换器开关频率的6倍。

　　交错并联变换器和单相变换器相比，输出电压和电流的纹波更小，电能质量更高。在单相变换电路中，流过电感的电流为输入电流值;而在六重交错并联电路中，总的输入电流被均分到六个单元电路中，流过每个电感的电流变为总电流的1/6。当处于功率等级相同的情况时，若流过单相电路电感中的电流为I，则相应的电感储能为：

(4)

　　类似的，在六重交错并联电路中，6个电感中储存的总能量则会变为：

(5)

　　因此，六重交错并联总的电感储能变为单相的1/6，当功率等级不变时，每相变换器可以选择容量较小的半导体器件，所需滤波电感值也较小。

　　六重交错并联DC/DC变换器采用的是电流内环和电压外环控制的双闭环控制方法，包括六个电流内环和一个电压外环，为了保证均流^[9]，六个电流环都有单独的控制信号，给定电压信号U_dc*经过PI调节器进入到电流环，得到的电流信号I_dc*经过PI调节器后控制开关管的占空比，进而控制电感电流和电容两端电压，将输出的电感电流作为电流反馈信号I_act反馈到电流环中，电容两端电压作为输出电压反馈信号u_act反馈到电压外环中，电流环和电压环都为负反馈调节，如图6所示。