双向耦合电感DC_DC开关变换器与优化设计分析

耦合电感DC_DC开关变换器

第29卷第3期2010年7月

电工电能新技术

AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy

Vol.29，No.3July2010

DC开关变换器与优化设计分析双向耦合电感DC-徐玉珍，郭晓君，林维明

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108）

DC开关变换器电路拓扑的工作原理及其电路特性；建立摘要：本文详细分析了双向耦合电感DC-了该电路拓扑的损耗模型，并对其中的耦合电感匝比λ进行了优化设计。通过MATHCAD仿真软DC开关变换器电路拓扑件的分析和实验样机的结果验证，证明了文中所提出的双向耦合电感DC-的可行性和耦合电感匝比λ优化的正确性；该电路拓扑克服了传统双向BUCK/BOOST电路拓扑变换率较小的局限性，具有的更优越的效率特性；合理选择抽头电感的匝比λ对抽头电感双向

BUCK/BOOST具有重要意义。

关键词：耦合电感双向直流开关变换器；损耗模型；高效率；匝比优化

中图分类号：TM46

文献标识码：A

3076（2010）03-0012-04文章编号：1003-

1前言

n2，匝比λ为

（n1+n2）：n1。电路工作在充电或放电模式。

为减小系统的体积重量，节约成本，在电池的充

UPS系统、放电系统、电动汽车、太阳能发电系统、航DC变换器获得了广泛空电源系统的场合，双向DC-［1-5］

。多年来，的应用隔离型中、大功率BUCK和BOOST电路得到深入的研究［6-9］；传统非隔离型的DC因无法实现宽输入输出变比，其应用范双向DC-围受到限制。而在新型能源等应用场合中，低压侧

输入输出为宽变比，无需电气隔离，为低压大电流，

采用非隔离型拓扑具有成本和效率优势。

DC的变比，为扩大非隔离型双向DC-拓展其应DC用领域，本文将耦合电感引入到非隔离双向DC-变换器，提出新型耦合电感双向BUCK/BOOST电路（简称为TI-B-BUCK/BOOST（Tapped-InductorBi-di-rectionalBUCK/BOOST）），并对耦合电感匝比进行实现电压变比拓宽和效率提升。优化，

2原理与特性

B-BUCK/BOOST电路如图1所示。新型TI-VBAT为低压侧图中VBUS为高压直流母线电压，

S1、S2为功率MOSFET，电池电压，漏源反并超快恢

D2，电感L1的匝数为n1，L2的匝数为复二极管D1、

10-12收稿日期：2009-基金项目：国家自然科学基金资助项目（60572016）；福建省教育厅基金资助项目（JB07005）），女，江西籍，讲师，博士研究生，研究方向电力电子变流技术；作者简介：徐玉珍（1975-），男，福建籍，教授/博导，研究方向LED电源及其控制技术、林维明（1964-电力电子变流技术。

耦合电感DC_DC开关变换器

=

1－D1+λD1

in

1－D（1）

1

2.2

充电模式

该模式下，

CCM模式时电路原理图以及工作波形如图3所示。

电路为耦合电感同步整流BUCK，简称TI-SR-BUCK（Tapped-InductorSynchronousRectificationBUCK）。能量从VBUS流向VBAT。0至t0时，S2开通，S1关断，VBUS通过S2对耦合电感激磁，同时向负载提供能量；t0至t1时，S1开通前，激磁电流iL2按照匝比关系耦合成去磁电流iLm，iLm通过D1续流；t1至t2时，S1开通后，D1上的电流转移到S1，电流iLm通过VBAT、S1续流；t2至t3时，S1关断，S2开通前，

D1续流。TI-SR-BUCK输入与输出电压关系为：M=

VBATD1

V=BUSλ（1－D1）+D（2

）

1

耦合电感DC_DC开关变换器

功率MOSFET的损耗分为导通损耗Pson和开

关损耗P［12］

sw。二极管D2的损耗由正向导通产生

的损耗PDon和反向恢复损耗PDrr两部分组成。因此总损耗为：

Ploss=Pson+Psw+PDon+PDrr

（3）

3.2

抽头匝比的优化选择

基于损耗模型，通过MATHCAD进行仿真，仿真参数如下：VBAT=2～4V，VBUS=24V，Io=0.2～3.2A，L1=30μH，S1为IRF1405Z，D2为MUR2020。仿真结果如图4所示，λ=1时为传统BOOST电路的损耗。当输入为3V保持不变，负载

电流变化时损耗与匝比关系如图4（a）所示，随着匝比λ增加，功率半导体器件损耗先减小到最小值后

再增加，

当大到一定值后，TI-BOOST的损耗将大于传统BOOST的损耗；匝比λ取2～4时，TI-BOOST的功率器件总损耗最小，电路效率最高。在相同输

图4基于损耗模型仿真结果Fig.4

Simulationresultsofpowerlossmodel

出，

不同输入电压时如图4（b），随着匝比的增加，损耗先减小到最小值后，再开始逐渐增大，最后，大于λ=1时的损耗。当匝比λ取2～4时，功率器件的总损耗最小，功率级电路效率最高。分析仿真结果可知，当匝比从1开始增大时，占空比D1减小，开关管S1上电流有效值和峰值都增大，

电压应力大大减小，S1上导通损耗增加，而开关损耗和输出电容损耗不断减少；在输入负载电流不变时，D1上的导通损耗保持不变，其反向恢复损耗

增加；匝比λ变小时，

S1的开关损耗和输出电容损耗的总减少量大于S1的导通损耗和D2反向恢复

损耗的增加量，且损耗减少的速度大于增加的速度；当匝比增加到2～4之间时，功率器件总损耗为最小

值；随着匝比进一步增加，

S1导通损耗和D1反向恢复损耗不断增加，S1的开关损耗和输出电容损耗

不断减少，但增加速度大于减小速度；当匝比大到一定程度时后，

S1的导通损耗和D1反向恢复损耗的增加量大于S1开关损耗和输出电容损耗的总减少量 …… 此处隐藏：3581字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……