谐振串联型开关电容DC／DC变换器

弟4012年11月 电力电于技术 6，1 012 谐振串联型开关电容守行 (浙江工贸职业技术学院，电子工程系，浙江温州I 325003) 摘要：根据向串联电容逐个充电能升压的原理，提出一种串联谐振型开关电容直流变换器以谐振充电、恒流 放电工作方式，降低了浪峰电流和变换损耗。根据用近似值方法，解出了输出电压、变换 效率和充电平均电流的数学表达式，可知这种谐振型变换器在一定范围内可通过调频方式调压是一种体积 小、效率高的直流变换器，并用实验验证了电路及其分析的正确性。 关键词：变换器：开关电容；谐振；调频调压 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2012)113 C25003，to if by be a CDC is n to of LC of s a of by is a C is he of of by 引 言 2主电路 开关电容直流变换器是以电容为储能元件的 功率变换器。其体积小、重量轻、效率高且易于集 成。但硬开关控制方式的开关电容变换器存在开 关电流大、振型开关电容 直流变换器【卜z】对于开关损耗、能有所改善但同时存在一个问题：对于升压式 电路，电容充电时。该电容不能同时向负载放电， 只能由输出电容向负载供电，变换器输出电流占 空比就会较小势必导致工作电流峰值变大。使阻 性损耗变大。采用双相的电路结构【，】可使电流占 空比增大一倍，但功率器件数量也相应增加一倍。 根据向串联电容逐个充电能升压的原理参考 文献4，在此提出一种谐振串联型开关电容路在对谐振电容充电的同时。能以恒 流方式向负载放电，可增大工作电流占空比，从而 减小谐振峰值电流，降低阻性损耗，提高变换效率。 定稿日期：20120531 作者简介：夏守行(1969一)，男，浙江温州人，硕士，副教 授研究方向为电力电子拓扑及其控制。 图1示出谐振型2倍压主电路拓扑结构，G， 为低压端， ，为高压端波元件。谐振电容C。，用厶 相连。 为谐振电感，电感量为；C ，图 of E 电路工作波形如图2所示，工作分4个模态： 模态I 通，源电 流通过 ，L：，C 谐振充电，同时电源 和 串联向负载供电，即图2波形 时段； 模态II 然导通，D 继续关断， 由于反向阻断，电流，电路为C ，联向负载放电即图2波形t3t 时段； 模态源向 充电，同时与C 串联向负载供电，类同模态I； 模态47 乖 0导 1012年11月 J J 1x I、 态经总时间为 。 简言之，电源轮流向电容充电，电容串联升压 输出。若T=模态输入 充电电流时间占空比为100。 图2电路工作波形 于谐振型电路工作要基于电路的参数，当 电路通常不能改变。则调 压方式只能是改变模态即调 频方式。当 = 时，为开关频率_Lfh=l(2调 节输出电压时，只能在 上限频率处向下调节。 3主电路特性分析 图1中元件，则电路中 。， 。的电流可认为恒流，则 与负载电流，电时电流 开关器件对C 充电，有： i ( +R )+ = 一己 ， 工2= (1) 式中：的谐振电压； 为二极管导通压降；等效内阻；R 为态电阻； 。为由于 ：的内阻很小，可忽略不计，则解得： e 己 一 (C)】一【，+ 一 ) (2) 式中： 一 ( )， 为C。初始充电电压； =一R (2L)，R。=+ c1； = 玎， 为谐振电路固有频率。 式(2)为C。在 时段电流 皿减去 的充电 结果，该时段 与 的数值相等，t。为时间起点。 若以t。时刻为时间起点，则出以t。 为时间起点的C 上电压方程为： +L(r )(3) 式中： 一 r,+R )。 至t。时历时为 ，由于 的放电，G。上电压 最低，为 ，然后再逐渐升高。式(3)实际是式(2) 向左平移 时间的方程。由图2可知，Q 的面积 为 时段C。的放电量，Q 近似于三角形，则： C( 一 )=，L( 一)4 (4) 48 式中： 为电路谐振固有周期，=在i 两个过零点之内，即时段，为谐振 半周时间， 已不对C 的充电有影响，持续时间 为 2，则有： 一( 一r(4C) (5) C 上充电量与放电量相等，即Q，=Q +2Q ，有： r J，r， T r ， 一、 c J。 ，【 詈) (6) 式中： 为开关器件工作周期， = + 。 由上述可解出： =，旷+ ) L+7) 式中：u=【】【( 一1T )-r(e +1)。 在t3t 时段C。为近似恒流放电， 段电压为：LV(该式是以起点的方程， 时放电结束，此时 则： = + +R )。周期内即： f f 了1【A 。(8) 但由于 r与不等，计算时不易 去除式(2)内的正弦和余弦值，使得结果比较复 杂。根据有当R 15时，s 和s 相对 于式(8)的第1项已相差不大。而图2 段的 此约在k15时，图2的 与 也基本相等。 鹾毫 图3不对比 of k 尽量提高电路变换效率，通常 。会很小， 容易达到k15，计算 时段平均电压时， 到 的曲线积分可用直线积分来代替，大大简化计算， 则平均电压就等于t3t 的平均电压，即： 1 f r r 亩J。dt=m)+ 詈) 一面 21 (9) T e + T e 十 c 与c：的电容量和工作方式相同，则有：玩= 2 =内阻。得： 谐振串联型开关电容( ( + +击 +击。一1(10) 1 5R eO+l I C尺 。 对式(2)求导，当 =0时，可得： f( t +1每)( )一 1(11) 显然 计算较麻烦，可采用图像法对式(11) 分两个函数画图，交点即为 点，方程组为： )、 【g(t)=w(T-rr(e+1)一a一 图像如图4所示，可知与 )相关较大，与电路元件参数相关不大。 。1h g(t)(f：=0 t )_1 0 60 l【， ，_一 14： g(t。)i (f=。0 2o； 三三三 2 0 图4图像法求 4 to 由图2和图4可知，在时，模态 ，厂 0 ，也说明工 作频率上限 =08一个 内，输出消耗电量为 ，电源输入电 流两次，每次充电电源消耗电量为图2中Q 的面 积，有：2+Q ，5+2 +路 变换效率2 ) 充电时段 平均电流i =Q 2=(T )(。 4实验结果 实验采用图1主电路，肖特基二极管，其 04 V(25 功率 R =8 =12 V， C=44 s=70 1=06 3=O9 =8 R =68 Q，为降低 ，能采用普通铝电解电容，原因是其等效内阻太 大，应采用低阻电容。谐振电感采用6匝粗铜漆包 线线圈，实验时调节电感长度，使一 54 L 1 在R =68 验测得输出电压和效率与 频率的关系分别如图5a，见，约在4 的范围内实验值与理论分析符合得很好，但在 A4以下时，由于电路发生了潜电路效应5，实验 与理论相关逐渐增大。约在Az使变 换效率基本上超过90。 l 0 +理论值 8O 70 一实验值 60 a)输出电压与频率 (b)变换效率与频率 图5实验输出特性曲线 开关频率为45 得波形如图6所 示。可见，输入电流频率是2倍开关频率。基本能 实现零电流关断，i。的负值即为，近直 线，说明 基本为恒流；电，接近正弦谐振波形，由于 由充电电流 组成，则充电开始和结束波形只能分别接近 于谷点和峰点波形下降阶段基本为直线，说明电 容为恒流 放电；f ： | ；U _ l ic j。 畸 一 tA 、 i，。、 i j “ t (a)输入电流和电容电流 (b)4点、8点电压 图6实验波形 结 论 通过理论研究分析和实验表明，这种谐振串 联型开关电容一定调频控制范 围内，能达到较高的效率。对于2倍压电路，升压 时电源充电电流频率是开关频率的2倍，向负载 放电电流是连续的，降低了充放电的峰值电流，降 低了阻性损耗提高了变换效率。 参考文献 【1】梅 纯，熊 蕊高效率谐振型开关电容变换器J电 力电子技术，2007，41(4)：1618 2丘东元，郑春芳，张波一类零电流谐振开关电容变 换器的特性