串/并联输出的双BUCK变换器
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摘要：研究了一种可串联或并联输出的双buck逆变器，该逆变电路具有无桥臂直通、可高频高效率运行的特点。通过合理的开关逻辑电路，实现了该逆变器串联或并联输出，从而根据需要提供两种不同规格的输出电压，满足不同负载设备的需要。提出同步开关型PWM调制方案与交错开关型PWM调制方案，两种调制方案均消除了传统SPWM调制方案下存在的环流能量，减小了由于环流造成的损耗。
关键词：BUCK电路；串/并联；变换器；半周期运行模式
一、引言
近30年来，开关型功率调节器已经发展成轻型、高效的直流电源。在各类DC/DC变换器中。PWM型DC/DC变换器结构种类多，发展快，技术领先，便于实现，成为最大的一类。目前，无论在电力电子，还是在控制领域中，PWM型DC/DC变换器都是研究的热点。
由于种种限制，在DC/DC变换器的控制方面只是最近几年才有了较为集中的研究，且由于DC/DC变换器的精确模型较难建立，传统的控制方法较难得到好的控制特性。随着微电子技术，现代控制理论以及EDA技术等领域的飞速发展，越来越多的先进控制方法被用来控制DC/DC变换器，大大的改善了其性能，增强了鲁棒性。对这些先进控制方法的仿真具有重要的现实意义。
近年来，随着燃料电池、太阳能电池等在航空航天和民用等多领域的广泛应用，开发高性能、低成本、可商品化的用来支撑燃料电池或太阳能电池发电系统的DC/AC逆变器系统日益受到重视，其中逆变器是一个重要组成部分。传统用于燃料电池逆变器系统中的逆变器存在桥臂直通、开关频率低、不平衡负载等问题，因此逆变器可靠性低、体积重量难以下降，控制方案复杂。
本文提出一种新颖的可串/并联输出双BUCK逆变器，具有以下特点：无桥臂直通问题，可靠性高；可高频率高效率运行，有利于减小体积重量；通过合理的控制方案，实现了串联或并联输出，避免了不平衡负载问题，系统资源得到充分利用。
二、BUCK变换器模型的建立
BUCK变换器有两种工作状态：开关管导通模式（图1所示）和开关管关断模式（图2所示）。为简单起见，假定开关是理想的，同时认为状态转换是瞬间完成的，且工作于电流连续的状态。若设占空比为D，则通过图1和图2所示两种工作状态。
图1 开关管关断时等效电路
图2 开关管道通时等效电路
如图3所示是两者都工作于d=0.5时的响应曲线。由图可以看到，平均模型忽略了开关周期内的高频变化，两者在启动时有较大的差别，但稳态时的平均特性仍有很好的一致性，其输出准确地反映了开关模型的仿真结果以开关周期为单位的平均，这便证明了平均模型的有效性。
图3平均和理想器件级模型在d=0.5时响应曲线的比较
三、串/并联输出双BUCK逆变器
串/并联输出双BUCK逆变器主电路拓扑如图4 所示。由两路单相双BUCK逆变器组合而成。两路双BUCK逆变器输入侧并联，输出侧通过合理的控制方案，既可并联、也可串联，从而提供两种不同规格的输出电压。串/并联输出双BUCK逆变器具有下述优点：（1）桥臂由一个功率开关管与一个功率二极管串联而成,不存在桥臂直通问题。（2）通过同一桥臂上串联的功率二极管续流，功率开关管和续流二极管可分别得到优化设计，可实现较高的开关频率，减小体积重量。（3）通过输出侧串联或并联提供两种不同规格的输出电压，A相与B相总是提供一半的总输出功率，从而避免了不平衡负载的问题。从结构上看，串/并联输出双BUCK逆变器也存在一些不足之处：需要四只独立的续流二极管及四只滤波电感，增加了逆变器的体积、重量与成本。但从另一个角度看，增加续流二极管的好处在于可以减小MOS 管的开关损耗，提高开关频率，滤波电感的体积、重量可以相应减小。从控制上看，逆变器既可串联输出，也可并联输出，导致控制上较传统逆变器复杂。
为减小由于环流能量带来的损耗，串/并联输出双BUCK逆变器工作在半周期运行模式，如图5所示。并联输出模式下，在输出电流ioa（或iob）正半周期，只有桥臂S1&D1和S3&D3工作；相反地，在输出电流ioa（或iob）负半周期，只有桥臂S2&D2和 S4&D4工作。四个桥臂分别在输出电流的半个周期内交替工作，电路中不存在环流电流。输出电流表达式为ioa=iob=iL1=iL3,ioa≥0iL2=iL4,ioa
（1）
类似地，串联输出模式下，在输出电流ioa（或－iob）正半周期，只有桥臂S1&D1和S4&D4工作；在输出电流ioa（或－iob）负半周期，只有桥臂S2&D2和S3&D3工作，电路中同样不存在环流电流。输出电流表达式为ioa=－iob=iL1=－iL4,ioa≥0iL2=－iL3,ioa
（2）
四、结语
通过合理的开关逻辑电路，实现了串/并联输出双BUCK 逆变器输出侧既可并联也可串联，从而输出两种不同规格的电压以满足不同负载的需要，系统资源得到充分利用。实现了串/并联输出双BUCK 逆变器半周期运行模式，电路中不存在环流能量，大大提高了逆变器的效率。由于DC/DC变换器工作模式的特殊性，很难得到其精确数学模型，而智能控制无需建立模型，可根据经验直接设计一个较简单的控制器，而经验数据可以直接通过目前提出的众多仿真模型中得到。因此，随着智能控制的快速发展和软硬件基础的迅速提高，我们有理由相信，智能控制在DC/DC变换器的控制领域必将会有更广阔的应用前景。
参考文献：
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