较高输入电压下系统集成的一组解决方案

浙　江　大　学　学　报(工学版)

Vol.40No.6

Jun.2006

较高输入电压下系统集成的一组解决方案

顾亦磊,吕征宇,钱照明,顾晓明

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)

摘　要:为了给中小功率较高输入电压系统集成中的标准模块提供合适的拓扑,提出了不对称双管正激变换器拓扑的解决方案.该方案利用合理的开关联接和高效的复位方式,构造出了电阻电容二极管(RCD)复位不对称双管正激变换器、谐振复位不对称双管正激变换器和有源箝位不对称双管正激变换器的拓扑.对这三种变换器进行了分析和比较.结果表明,有源箝位不对称双管正激变换器性能最佳,结构最复杂,成本最高.RCD复位不对称双管正激变换器性能相对最差,结构最简单,成本最低.这三种变换器能降低开关的电压应力,可以工作于宽输入电压变换范围,非常适合应用于较高输入电压的电力电子系统集成标准模块中.关键词:系统集成;双管正激;宽范围

中图分类号:TM46;TM13　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:10073X(2006)06102705

Systemintegrationsolutionunderhigh2lineinputvoltage

GUYi2lei,LUZheng2yu,QIANZhao2ming,GUXiao2ming

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Tosupplyappropriatetopologyforstandardmoduleapplicationofmedium2lowpowerrangepowerelectronicssystemintegrationunderhigh2lineinput,aschemeofasymmetricaldual2switchforwardconvertertopologieswaspresented.Byapplyingproperconnectionofswitchesandeffectiveresetmethod,topologiesofresistor2capacitor2diode(RCD)resetasymmetricaldual2switchforwardconverter,resonantresetasymmetricaldual2switchforwardconverter,andactive2clampedasymmetricaldual2switchforwardconverterwereproposed.Characteristicsofthesetopologieswereanalyzedforcomparisonamongthem.Resultsshowthatperformanceofactive2clampedasymmetricaldual2switchforwardconverteristhehigh2est,theconfigurationisthemostcomplexandthecostisthehighest.PerformanceofRCDresetasymmet2ricaldual2switchforwardconverteristhelowest,theconfigurationisthesimplestandthecostisthelow2est.Thepresentedtopologiesfeaturebothlowervoltagestressofswitchesandgoodadaptabilityofwiderangeinput,andareverysuitableforstandardmoduleapplicationofpowerelectronicssystemintegrationunderhigh2lineinput.

Keywords:systemintegration;dualswitchforward;widerange

　　对于电力操作电源、通信一次电源、电脑适配器电源等应用场合,其中的直流2直流(directcurrent/directcurrent,DC/DC)变换器输入电压在300～400V,涵盖带功率因数校正(powerfactorcorrec2tion,PFC)和不带PFC的场合.该电压在电源产品

收稿日期:20050616.

中属于较高输入电压等级.正激变换器是一种适应性非常好的DC/DC变换器,可以涵盖比较宽的功率范围,对于中小功率场合尤其合适.通常的单管正激变换器的开关电压应力比较大,是输入电压的两倍左右,用于较高输入电压的场合有一定的困难,双

浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50237030ZD).

作者简介:顾亦磊(1978-),男,浙江象山人,博士,从事电力电子电路拓扑和电源系统集成的研究.E2mail:guyilei9602@sina.com

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复位电压的主体还是Vin.这样电阻R上消耗的功率也不是所有的励磁能量,而是励磁能量的一部分.此

外,从图1(b)中很容易可以看出正管S1的电压应力是Vin,负管S2的电压应力是Vreset,即(Vin+VC).

管正激变换器正好解决了这个问题,它每个开关的电压应力等于输入电压,是单管正激变换器的一半左右,适用于较高压输入场合.双管正激变换器是利用输入电压给变压器进行复位,结构上也非常简单,激磁能量和漏感能量回馈到输入侧,因此这个DC/DC拓扑被广泛地应用于工业界,但是这种双管正激变换器的缺点是:只能工作在占空比小于50%的状态,不适合用在变换范围非常宽的场合,例如系统集成方案中的标准模块里[123].

本文根据正激变换器的各种复位方式提出了相应的不对称双管正激变换器结构.文中还比较了各种不对称双管变换器的性能,提供选择原则.最后对这一系列不对称双管正激变换器进行了实验验证,进行了波形和效率的对比.

1　不对称双管正激变换器

通常的单管正激变换器的主开关承受的是输入电压Vin与复位电压Vreset之和.不对称双管正激变换器的思路是构造一系列正激型的拓扑,在这些拓扑中有两个主开关,其中一个主开关承受输入电压

Vin,称为正管,另一个主开关承受复位电压Vreset,称

图1　RCD复位不对称双管正激变换器

Fig.1　RCDresetasymmetricaldualswitchforward

converter

为负管,从而降低了每个主开关的电压应力.另外,不对称双管正激变换器的复位电压Vreset可以大于Vin,因此占空比可以大于50%.这一系列不对称双管正激变换器非常适用于较高输入电压Δ例如400Δ、V宽输入电压变换范围的场合,是中小功率较高输入电压系统集成中标准模块的一个很好的解决方案.1.1　RCD复位不对称双管正激变换器

图1(a)为第1种不对称双管正激变换器,即RCD复位不对称双管正激变换器.RCD复位单管正激变换器中不仅主开关电压应力高,而且变压器激磁能量和漏感能量除了开关结电容上的能量外,其余均消耗在复位电阻上,因此整个变换器的效率也比较低,只能用于低端产品中[425].而图1(a)中的RCD复位不对称双管正激变换器中不仅主开关的电压应力比较低,激磁能量和漏感能量也绝大部分可以回馈到输入侧.

图1(b)为图1(a)对应的工作波形,当S1和S2

导通的时候,变压器上所加的是输入电压Vin.当S1和S2关断,D1和D2就导通,由(Vin+VC)对变压器进行复位.若VC为正,那么占空比D就可以超过50%,因此这个电路能适应宽范围的要求.和RCD

1.2　谐振复位不对称双管正激变换器

图2(a)为第2种不对称双管正激变换器即谐振复位不对称双管正激变换器[627].图2(b)是图2(a)对应的工作波形.

当S1和S2导通的时候,变压器上所加的是输入电压Vin.当S1和S2关断,S3就导通,由激磁电感和谐振电容C进行谐振,产生一个准正弦的电压波形对变压器进行复位.通常的谐振复位单管正激变换器的缺点是1)开关上的电压应力大;2)开关管工作于硬开关状态,并且开关上要外并谐振电容,等效的开关损耗就变得非常大,因此效率会受到很大的影响.而图2(a)所示的谐振复位不对称双管正激变换器中,正管S1承受的是输入电压,负管S2承受的是谐振复位电压,和谐振复位单管正激变换器相比,电压应力比较低.另外,谐振电容只和S2并联,而且从图2(b)中可以看到,S2能够不用外加措施实现零电压开关(zerovoltageswitch,ZVS),S1虽然工作于硬开关状态,但是S1不参与谐振,无需外并谐振电容,等效开关损耗相对比较小.因此该变换器的效率也会大大提高.同样该变换器复位电压可以大于输入电压,因此占空比可以大于50%.在有必要的时候,该变换器可以在变压器副边加饱和电感,取得

复位的单管正激变换器不同的是:这里的VC并不是全部的复位电压,而是作为复位电压的补偿而存在.

第6期顾亦磊,等:较高输入电压下系统集成的一组解决方案

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图2　谐振复位不对称双管正激变换器Fig.2　Resonantresetasymmetricaldualswitchfor2

wardconverter

图3　有源箝位不对称双管正激变换器

Fig.3　Activeclampasymmetricaldualswitchforwardcon2

verter

另一个主开关S2的ZVS条件,这对于谐振复位单

管正激变换器和传统的双管正激变换器来说也是没法做到的.1.3　有源箝位不对称双管正激变换器

图3(a)为第3种不对称双管正激变换器,即有源箝位不对称双管正激变换器[8].图3(b)为图3(a)对应的工作波形.

当S1和S2导通的时候,变压器上所加的是输入电压Vin.当S1和S2关断,S3和S4就导通,箝位电容C上的电压VC和输入电压Vin之和作为复位电压对变压器进行复位.当电容C上电压VC为正的时候,复位电压就可以大于输入电压,也就是说占空比可以大于50%.正管S1和辅助开关S3承受的是输入电压;负管S2和辅助开关S4承受的是复位电压.该变换器的复位方式利用率最高,因此相对前两种不对称双管正激变换器,它的复位电压最低.对于宽范围的适应性也比前两种不对称双管正激变换器更佳.

当然它们还有各自的特点.从主开关的数量上来看都是2个,因此都称为双管正激变换器;但是从总的开关数量来看,RCD复位、谐振复位、有源箝位变换器分别是2、3、4个.每个开关都需要控制信号和驱动电路,因此开关的数量也体现了它们的复杂程度和成本.从开关管S2和整流管DR1的电压应力来看,谐振复位不对称双管正激变换器最高,RCD复位不对称双管正激变换器其次,有源箝位不对称双管正激变换器最低.另外RCD复位不对称双管正激变换器的复位电阻上还是会有一定的损耗,因此效率最低.有源箝位不对称双管正激变换器由于S2和DR1的电压应力都比较低,可以选用更加低压的器件,并且是无损的复位方式,因此效率最高.或者说有源箝位不对称双管正激变换器的工作范围可以设计得更加宽.表1详细给出了这3种不对称双管正激变换器各个方面的性能比较.

表1　3种变换器的比较

Tab.1　Comparisonofthreeconverters

2　3种宽范围双管正激变换器的比较

上述的3种不对称双管正激变换器有它们的共

同特点:1)都有两个主开关;2)正管S1承受的是输入电压;3)负管S2承受的是复位电压;4)占空比可以大于50%.

物理量开关数量成本S2电压应力DR1电压应力变换范围

ηRCD复位

2低中中中低谐振复位

3中高高中中有源箝位

4高低低宽高

注:表中的高、中、低是这3种变换器的相对值,不代表绝对性能

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波形.可以看到S1的漏源最高电压为400V,S2的

3　实验结果

分别采用上述3种不对称双管正激拓扑的直流对直流变换器的样机.这3个变换器的电气规格相同,参数为:输入电压Vin=250～400V,输出电压Vo=54V,输出电流Io=0～5A,开关频率f=70kHz.

漏源最高电压为430V.在400V输入时,S2完全实

现了软开关;在250V输入时并没有完全实现软开关,这种设计是为了降低S2的电压应力而采用的折衷方案.

图6为满载下有源箝位双管正激变换器的实验波形.可以看到S1的漏源最高电压为400V,S2的漏源最高电压为300V.由此也可以看到有源箝位的复位波形利用率最高,负管S2的电压应力也较其他两种变换器低.

这3个变换器的电路参数也基本相同,但是有源箝位不对称双管正激变换器的整流二极管DR1的电压应力比较低,用了200V的肖特基;而其他2个变换器用的是400V的快恢复二极管.具体参数如下.3种变换器元件的参数如表2所示.

表2　三种变换器元件参数

Tab.2　Componentparametersofthethreeconverters

元件

S1,S2

nLm/mH参数STP11NM6040∶203元件Ls/μHL/μHDR2参数15130B20200下面是3种变换器不同部分的元件参数.1)RCD复位不对称双管变换器的参数为:DR1采用HER1604PT,R=500Ω;2)谐振复位不对称双管变

换器的参数为:DR1采用HER1604PT,C=200pF;3)有源箝位不对称双管变换器的参数为:DR1采用B20200,C=0.1μF.

图4为满载下RCD复位双管正激变换器的实验波形.从图4(a)～(d)可以看到S1的漏源最高电压为400V,S2的漏源最高电压为420V.

图5为满载下谐振复位双管正激变换器的实验

图5　谐振复位不对称双管正激变换器的实验波形

Fig.5　Experimentalwaveformofresonantresetasymmet2

ricaldualswitchforwardconverter

图6　有源箝位不对称双管正激变换器的实验波形

图4　RCD复位不对称双管正激变换器的实验波形

Fig.4　ExperimentalwaveformofRCDresetasymmetri2

caldualswitchforwardconverter

Fig.6　Experimentalwaveformofactiveclampasymmetrical

dualswitchforwardconverter

第6期顾亦磊,等:较高输入电压下系统集成的一组解决方案

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　　图7为3种不对称双管正激变换器在不同输入电压下的效率曲线,3种变换器效率的高低次序也和第2章的分析一致.

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[3]顾亦磊,吕征宇,钱照明.DC/DC拓扑的分类和选择标准

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图7　3种不对称双管正激变换器的效率曲线

Fig.7　Efficiencyofthreekindofasymmetricaldu2

alswitchforwardconverters

(10):13751379.

[4]BRIDGED.ClampvoltageanalysisforRCDforward

converters[C]∥AppliedPowerElectronicsConference.NewOrleans:IEEE,2000:959965.

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4　结　语

本文提出3种不对称双管正激变换器,特点是开关电压应力低和宽变化范围,是中小功率较高输入电压系统集成中标准模块的一个很好的解决方案.设计者可以根据不同的要求和场合来选取合适的拓扑.

将不对称双管正激变换器应用于电力电子系统集成的标准模块设计,还需要对它们的保护电路、启动电路、并联控制电路等进行深入的研究.

参考文献(References):

[1]钱照明,张军明,吕征宇.电力电子系统集成[J].中国

集成电路,2003,(50):3945.

QIANZhao2ming,ZHANGJun2ming,LUZheng2yu.

下期论文摘要预登

给水管网管道摩阻校正方法研究

张土乔1,许　刚1,吕　谋1,2,卓　敏1

(1.浙江大学市政工程研究所,浙江杭州310027;2.青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033)

摘　要:为了提高给水管网管道摩阻系数校正的稳定性和惟一性,提出了新的摩阻校正方法.当节点流量已知时,分析节点压力受管道摩阻变化影响的敏感度矩阵,在敏感度较大的节点上收集校正数据;对大敏感度管道单独校正、对其他管道进行分组校正,从而减少了校正变量的个数;模拟管网的多工况运行,收集足够多的校正数据;将管道摩阻系数的经验估计值引入到蚁群算法的优化计算过程中,提高优化计算的收敛速度.算例分析表明,采用上述方法校正的给水管网水力模型在实际应用中,得到的节点压力值与实际节点压力值更为匹配.关键词:给水管网;敏感度;校正;蚁群算法