一种同向耦合电感交错并联三管升降压变换器研究_张先进.pdf
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1、第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:江苏省高校青蓝工程项目(2020 10 号,2019 3 号);南通市基础科学研究项目(JC2020154)收稿日期:20210527修改日期:20211214esearch on Interleaved Buck-Boost Converter with ThreeSwitches Based on Co-Directional Coupling Inductor*ZHANG Xianjin*,ZHU Hairong(J
2、iangsu esearch and Development Center of Wind-Solar Complementary Power Generation Engineering Technology,Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong Jiangsu 226007,China)Abstract:In order to resolve the part problems of conventional two-switch Buck-Boost converter,a three-switch interleav
3、ed Buck-Boostconverter based on co-directional coupled inductor is proposed The operating principle is analyzed in detail,and it is concluded that ex-panded duty cycle and soft switching at Buck circuit side can be achieved The control circuit may be consisted of a conventional controlchip with dual
4、 interleaved PWM outputs,such as a single UC3525,therefore,the control circuit is very simple At last,the experimentalresults verify the analysisKey words:Buck-Boost;coupling inductor;soft switching;expended duty cycleEEACC:1210;8360Edoi:103969/jissn10059490202301023一种同向耦合电感交错并联三管升降压变换器研究*张先进*,朱海荣(江
5、苏工程职业技术学院 江苏省风光互补工程技术研究开发中心,江苏 南通 226007)摘要:针对传统的双管 Buck-Boost 变换器存在的问题,研究了一种同向耦合电感交错并联三管 Buck-Boost 变换器。从同向耦合电感的等效电路出发,详细地分析了该电路的工作原理,得出该电路既可以实现占空比扩展,又可以实现 Buck 电路部分功率器件的软开。该变换器控制电路可由常用的单片双 PWM 输出控制芯片构成(例如 UC3525),非常简单。实验结果表明相应的分析是正确可行的。关键词:升降压;耦合电感;软开关;占空比扩展中图分类号:TM461文献标识码:A文章编号:10059490(2023)010
6、13305随着新能源发电技术的不断发展和应用,具有宽输入电压范围的升降压 Buck-Boost 电路得到了非常广泛的应用和研究。为了降低功率器件损耗,可以让双管 Buck-Boost 电路工作在断续模式1,也可以采用耦合电感构成额外续流回路降低二极管反向恢复损耗2 或利用较为复杂谐振技术实现软开关3;当然,也可以通过改变驱动或调制方式来降低磁性元件损耗48。为了进一步提高增益,文献 9给出一种增加额外电感和功率器件的 Buck-Boost 变换器。而以 Buck-Boost 电路作为整个电路一部分的集成型直流变换器也被广泛研究1011。但是这些变换器的控制电路通常比较复杂。交错并联是一种能够有
7、效提高输出功率和降低输入输出电压或电流纹波的技术方案。因此,交错并联 Buck-Boost 变换器也被广泛关注。文献 4 研究了不同调制模式下交错并联双管 Buck-Boost 变换器;文献 12 将磁集成和交错并联技术同时应用于Buck-Boost 变换器,既提高电压增益又改善电气性能;文献 13给出了一种基于独立电感的 Buck 部分交错并联的类似双管 Buck-Boost 电路。但是,这些电路和控制方法交错并联时控制电路比较复杂。从交错并联、软开关和降低控制电路设计难度等几个方面着手,本文利用同向耦合电感改进传统双管 Buck-Boost 电路,得到一种耦合电感交错并联三管 Buck-B
8、oost 电路,并进行了分析和实验验证。1电路构成及原理分析11电路构成及特点将双管 Buck-Boost 电路中的电感换成同向耦合电感、构造两个 Buck 电路,就成了如图 1 所示的一种含同向耦合电感交错并联三管 Buck-Boost 电路。其中,L1和 L2分别是耦合电感的自感,自感电流分电子器件第 46 卷别用 iL1和 iL2表示,自感电流之和用 iL(iL=iL1+iL2)表示。根据同向耦合电感的知识,图 1 可以用图 2 的等效电路来表示。图 1一种耦合电感交错 Buck-Boost 变换器图 2等效电路设自感 L1和 L2相等并用 L 表示,根据同向耦合电感的知识,可得图 2
9、中的互感 LM和等效漏感L1LM、L2LM分别如式(1)和式(2)所示。其中,k是耦合系数。所以当取 k 在 09 以上时,则漏感很小、互感 LM远大于漏感。LM=kL1L槡2=kL(1)L1LM=L2LM=(1k)L(2)开关管 S1和 S2交错工作,S3与 S1S2同步工作。当同向耦合电感自感电流 iL1和 iL2工作在断续模式时,可以实现 S1和 S2零电流开通、D1和 D2零电流关断;而且同向耦合电感自感电流断续时,可以获得较好的均流效果1415。电流 iL根据负载的大小可以工作在连续模式,也可以工作在断续模式。由于在电流 iL断续时,电流 iL1和 iL2不存在换流过程,所以其工作过
10、程与传统的交错并联双管 Buck-Boost 变换器电流断续时工作过程一样。因此,本文仅对电流 iL连续、自感电流断续时的工作原理进行分析,其主要波形如图 3 所示。其中,ugs1、ugs2和 ugs3分别是图 1 中开关管 S1、S2和 S3驱动信号。根据式(2),由于耦合系数接近 1,所以漏感很小,电流 iL1和 iL2换流时间将会很短,即图 3 中时间段(t1t2)和(t4t5)会很小。由于互感 LM远大于漏感,所以电流 iL1和 iL2换流过程中电流 iL可以近似看成是恒流源,即在换流过程中电流 iL1和 iL2变化率近似相等。12电流连续模式工作原理根据图 3,电流 iL连续时该电路
11、有 6 个工作模态。模态 1(图 3 中(t1t2)、图 4(a)此模态是两个自感电流换流阶段。在 t1时刻图 3iL连续时主要工作波形示意图之前,电流 iL1为零,D2、D3导通续流。在 t1时刻,开通 S1、S3,输入电压 Uin作用在漏感(L1LM)和(L2LM)上,所以电流 iL1线性上升,而电流 iL2以新的斜率继续下降,直至 t2时刻 iL2下降至零,完成两个自感电流换流。由于 t1时刻电流 iL1等于零,所以 S1是零电流开通;t2时刻 iL2等于零,所以 D2是零电流关断,无反向恢复。diL1dt=diL2dt=Uin(L1LM)+(L2LM)=Uin2(1k)L(3)模态 2
12、(图 3 中(t2t3)、图 4(b)在此模态中,S1和 S3继续导通。由于电流 iL2为零,所以电流 iL1等于电流 iL,并在电压 Uin作用下,iL1线性上升,直至到 t3时刻关断 S1和 S3为止。diL1dt=UinL1LM+LM=UinL(4)模态 3(图 3 中(t3t4)、图 4(c)从 t3时刻开始,D1和 D3导通续流。由于电流iL2为零,所以电流 iL1仍等于电流 iL,并在输出电压Uout作用下,电流 iL1开始线性下降,直至 t4时刻开通S2和 S3为止。diL1dt=UoutL1=UoutL(5)模态 4(图 3 中(t4t5)、图 4(d)此模态也是两个自感电流换
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