新型交错式升压转换器,可有效降低电源能耗!

   电源适配        

研究人员提出了一种具有软开关的两相交错升压变换器,采用一个辅助电路,两个辅助开关零电流开关(ZCS)通入,两个主开关零电压过渡(ZVT)通入,提高了整体效率。此外,利用具有不平衡母线的电流平衡电路,使两相提取的负载电流尽可能均匀,从而提高系统的稳定性。本研究以输入24V±10%、额定输出36V/6A的变换器为例,通过实验验证了该变换器的有效性。


相关论文以题为“Two-Phase Interleaved Boost Converter with ZVT Turn-On for Main Switches and ZCS Turn-Off for Auxiliary Switches Based on One Resonant Loop”发表在《Applied Sciences》上。


新型交错式升压转换器,可有效降低电源能耗!


众所周知,开关电源在今天得到了广泛的应用。这是由于它体积小,效率高等原因。但由于它的硬开关性,也存在开关损耗大、电压/电流应力大、电磁干扰强等缺点。


为了克服上述缺点,准谐振变换器(QRC)从1980年开始研究,主要是在电压/电流波形为正弦的情况下。该变换器将谐振电感与开关或二极管串联,从而与开关寄生电容或二极管寄生电容谐振,从而实现了导通期的零电压开关(ZVS)或关断期的零电流开关(ZCS)。然而,该电感器位于主功率级的路径上,在开关或二极管上产生高电压/电流,不可避免地会产生环流电流,从而造成较大的导通损耗。谐振能量来自于输入端和负载端,只能在一定的输入电压范围和一定的负载范围内实现软开关。


另一方面,为了增加输出电流,提高整体效率,一般采用多相变流器和交错控制。由于多相电感器电流的交流分量在一定程度上相互抵消,不仅降低了输出电流纹波,而且增加了输出电流纹波的频率。因此,不仅设计所需的过滤器更容易,而且相应的尺寸也会更小。一般情况下,多相产生的总损耗要小于单相产生的总损耗。提出了软开关多相变换器,进一步提高了变换器的整体效率。研究人员采用多相伴随的辅助谐振电路数量增加,导致元件数量增加,不仅增加了导通损耗,也增加了成本。两相变换器采用相同的辅助谐振电路。但仅采用零电压,限制了效率的提高。在文献[37]中,两相变换器采用一个缓冲电路强制主开关实现软开关。然而,谐振电感被放置在功率路径上,从而增加了传导损耗。另外,由于两相之间的元件特性和线阻抗不同,需要电流平衡控制。对于电流均衡,有两种类型的电流均衡控制策略。一种方法是被动的;另一种方法是active。前者采用差模变压器或电容器或两者兼用来做电流平衡,后者由电流稳压器和传感器组成做电流平衡。


研究人员提出了一个由较少的元件组成的谐振电路,并施加在一个两相交错的升压变换器上,以迫使两个主开关ZVT接通,两个辅助开关ZCS关断。此外,由于开关处于软开关状态,输出电流纹波不受影响,从而延长了电容器的使用寿命。在电流平衡方面,研究人员提出了一种基于数字控制的不需要电流平衡总线的简单方法,使负载电流在两相之间均匀分布。


电流控制策略


图1显示了提出的电流均衡控制策略。gate-driving信号的周期性vg1后第一阶段第一脉宽调制(PWM)信号发生器是得到想要的输出电压Vo,基于电压回路的控制器Gc1 (z)的电压命令参考Vref和数字感觉到电压V传闻,从感觉到获得电压V魄的分压器的增益k和第一个模拟-数字转换器(ADC1)。同时,感觉到目前的第一阶段,叫'L1,发送到ADC2,数字感觉到当前'L1,将用作当前命令参考current-balancing循环与控制器Gc2 (z)数字感觉到当前'L2感觉到目前的第二阶段,叫'L2 ADC3之后,从而自动调节第二脉宽调制发生器后第二相的门驱动信号vg2占空比,使输入电流均匀分布在两相之间,实现两相负载电流的平衡。


新型交错式升压转换器,可有效降低电源能耗!


图1.电流平衡控制策略(ADC:模数转换器)PWM脉宽调制)。


设计注意事项


在设计该变换器的关键参数之前,系统的相关规范如表1所示。


表1.系统规格(CCM:连续电流模式)


新型交错式升压转换器,可有效降低电源能耗!


结论


在本文中,为了降低开关损耗和提高整体效率,研究人员提出的变换器主开关S1和S2采用ZVT开断,辅助开关Sa和Sb采用ZCS关断。所有的软开关操作都是在一个谐振回路的基础上实现的。ZVT特性是通过在主开关S1(或S2)接通之前接通辅助开关Sa(或Sb)来实现的,这样S1(或S2)上的电压降为零,从而使S1(或S2)具有ZVT接通。另一方面,ZCS行为是根据辅助电路的特性实现的,因此Sa和Sb有ZCS关断。从实验结果可知,软开关可以在整个负载范围内实现。另外,对于任何负载,两相之间的电流平衡性能良好。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3881/htm


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