双向耦合电感DC_DC开关变换器与优化设计分析

时间:2025-07-12

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 ……

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