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

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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，功率器件的总损耗将比传统BOOST大。

通过以上分析，可以得出：在输入输出为大变比时，选择合适的匝比，充电模式TI-BOOST电路的效率比传统BOOST高；基于电路结构的对偶性耦合电感的相同作用机理，可得TI-B-BUCK/BOOST比传统的双向BUCK/BOOST具有更好效率；耦合电感匝比优化选择值为2～4。

4样机与实验结果

TI-B-BUCK/BOOST实验样机主要参数Lm=30

μH，VBAT=2～4V，VBUS=20～24V，最大功率Pmax=60W（Pmax：放电模式时为输入功率，充电模式时为输出功率）；样机中选择匝比λ=1、

2、3、4、5，分别进行实验；S1、S2选用IRF1405z；D1、D2用MUR2020。实验结果分析如下：

在硬开关条件下，测得的效率曲线如图5所示，TI-B-BUCK/BOOST比传统双向BUCK/BOOST具有更高的效率。轻载时，两者均具有良好的效率，但随着负载的增加，两者的效率均下降。充电模式如图5（a），匝比为3时，效率最高，平均效率在85%以

上，比传统SR-BUCK平均提升了3.5%；匝比为2和4的效率相当，均小于匝比为3时的效率，平均相

差1%以上；匝比为5时，效率明显变差，略高于传

统SR-BUCK。在放电模式下，如图5（b），当匝比为4时，具有最佳的效率，平均效率接近86%，比传统

耦合电感DC_DC开关变换器

BOOST提升4%。匝比为3，效率略小于最佳匝比时的效率

。

耦合电感DC_DC开关变换器

systemoncophasecounterparallelinrectifierunit）［J］.电力电子技术（PowerElectronicsTech.），2009，43（1）：43-45.

状态与样本数据库中的特征向量进行处理，获得待

检状态与某一样本状态的最佳匹配，实现了模糊识别。通过实验验证，在小电流实验环境，该系统能正确地诊断出系统故障，性能较好。参考文献（References）：

［1］黄俊，WangZhaoan）.电力电子变王兆安（HuangJun，

.北流技术（Powerelectronicconversiontech.）［M］京：机械工业出版社（Beijing：MachineryIndustryPress），1999.

［2］周鹏，欧阳波（ZhouPeng，OuyangBo）.同相逆并联整

流装置故障诊断系统的研究（Studyoffaultdiagnosis

［3］FrankPM.Faultdiagnosisindynamicsystemsusingana-lyticandknowledge-basedredundancy-Asurveyandsomenewresults［J］.Automatic，1990，26（3）：459-474.

［4］刘颖，张明（LiuYing，ZhangMing）.基于模糊理论和

频谱分析的电力电子设备的故障诊断（Faultdiagnosisofpowerelectroniccircuitsbasedonfuzzytheoryandfre-J］.海军工程大学学报（Jquencyspectrumanalysis）［

NavalUniv.ofEng.），2005，17（1）：85-88.

Studyoffaultdiagnosissysteminrectifierunitsbasedon

waveletpacketandfuzzydiagnosis

KUANGYong-hong1，OUYANGBo2，ZHOUPeng2

（1.AppliedTechnicalCollegeofHunanInstituteofEngineering，Xiangtan411101，China；2.SchoolofInformationScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410075，China）Abstract：Accordingtothecophasecounterparallelconnectionrectifierunitswidespreadlyusedinthefieldsofpowerandchemicalindustry，thepaperpresentsawaveletpacket-fuzzyrecognitionmethodwiththethreephasecurrentatrectifiertransformersideasthediagnosissignaltorealizefaultdiagnosis.Firstly，thefaulteigenvaluesareextractedwithwaveletpacketanalysistoformasampledatabase，thenthefuzzyrecognitionofsamplestatusareidentifiedbyusingJdispersionandmaximummembershipprinciple.Themethodisverifiedbyexperiments，andtheaccuracyisexcellent.

Keywords：cophasecounterparallelconnection；faultdiagnosis；waveletpacketanalysis；fuzzyreasoning櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆

（上接第15页，cont.fromp.15）

Noveltapped-inductorbi-directionalDC-DCconverterandoptimumdesign

XUYu-zhen，GUOXiao-jun，LINWei-ming

（CollegeofElectricalEngineeringandAutomation，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China）

Abstract：Anoveltapped-inductorbi-directional（TI-B）DC-DCconvertersisanalyzedinthispaper，whichcano-vercometheshortageofnon-isolatedbi-directionalDC-DC（BDC）thatitstransferratioisrestrictedinasmallrange.ThispaperanalyzestheprincipleandcharacteristicsofTI-B-BUCK/BOOSTindetail.Then，apowerlossmodelofthenewtopologyisestablishedandtheturnratiooftapped-inductorisoptimized.SimulationbasedonMATHCADandtheexperimentondemoboardtestifythatTI-B-BUCK/BOOSTwidelyextendsthetransferratioofnon-isolatedBDCanditsefficiencyismuchhigherthanconventionalbi-directionalBUCK/BOOST.

Keywords：bi-directionalDC-DCconverters；dissipationmodel；efficiencyimprovement；turnratiooptimization