固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的研究

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(中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018)

固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的研究

李娟，蔡慧

(中国计量大学机电工程学院，杭州310018)

根据先前对开关电容变换器的研究，设计出一种固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器；该开关电容变换器结合了最近几年研究的单桥臂开关电容变换器的结构特点，具有直流开关电容变换器、单桥臂开关电容变换器的特点和优点，并且能够工作在直流和交流两种电流模式下，具有体积小、所需元器件种类少、效率高和功率密度大等优点；运用两路互补的PWM波对双桥臂开关电容变换器中的功率开关管进行驱动，电路结构相对简单，文中分析了变比固定变比为1/3的双桥臂的驱动过程、工作过程，通过仿真对其高频工作过程以及电容的换向过程进行了研究；给出了固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的电路设计方案及控制电路方法和方案；最后通过实验验证了该电路拓扑结构的可行性和正确性。

开关电容变换器；双桥臂；PWM控制；低频分析；高频分析

0 引言

开关电容变换器具有体积小、所需元器件种类少、效率高且功率密度大[1]等优点，并且可以空载运行而不需要虚负载，而且在完全空载时的电压变比仅由电路拓扑结构决定[2]。基于以上优点，开关电容变换器在小功率场合得到了一定的应用[3]，比如在汽车工业[4-5]以及电池工业[6-7]中。开关电容直-直变换技术已经取得了很大的进展，各种拓扑结构[8-9]以及控制方法[10-11]层出不穷。但主要集中在直流领域和单桥臂领域，对交流领域和双桥臂领域的开关电容变换器的研究甚少。

本文在先前对单桥臂开关电容变换器研究的基础上提出一种固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器，其等效电路可由一个变比为1/3的理想变压器和等效内阻为Req的串联结构表示，如图1所示[12]。这种变比为1/3的双桥臂开关电容变换器可以工作在交流和直流两种工作模式，在早期的研究中表明，其开关电容的稳态性能与开关电容变换器的工作时的工作特征息息相关。因此文中主要研究其在交流模式下的工作特征。

图1 固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器等效电路

1 固定变比为1/3的变换器

1.1 固定变比为1/3的双变换器电路

如图2所示为变比为1/2的双桥臂开关电容变换器的主电路拓扑结构，输入端为c-d，输出端为e-f，输入输出电压变比为1/2。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12为功率开关管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10为吸收和传递能量的电容，功率开关管通过STM32给出两路互补的PWM波，对其PWM波形进行放大到18 V对功率开关管进行驱动，其中S1、S3、S5、S7、S9、S11为一组PWM波，S2、S4、S6、S8、S10、S11、S12为另一组PWM波，其PWM驱动波形如图3所示。

1.2 工作过程

在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器有两种工作阶段，以输入电压的正半周期说明如下：

图2 固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器

图3 功率开关管的PWM驱动波形

在一个开关周期中，固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器可分为DT和(1-D)T两个工作阶段，如图4所示。

图4 固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器高频工作过程

第一阶段DT：功率开关S1、S3、S5、S7、S9和S11导通；功率开关S2、S4、S6、S8、S10和S12关断；

在第一阶段中，电容C7和C10充电，C8和C9放电。首先，电容C1、C3和C5放电，电容C2、C4和C6充电，如图9中的t1A。接着，电容C1、C3和C5开始充电，电容C2、C4和C6开始放电直到整个阶段结束,如图4中的t1B。在这整个阶段中，电容C7和C10充电，电容C8和C9放电。电源ui将能量传递给电路。这一阶段结束时，功率开关S1、S3、S5、S7、S9和S11关断；功率开关S2、S4、S6、S8、S10和S12导通。

第二阶段(1-D)T：功率开关S1、S3、S5、S7、S9和S11关断；功率开关S2、S4、S6、S8、S10和S12导通；

在第二阶段中，电容C7和C10放电，电容C8和C9充电。首先，电源接受来自电路的能量，电容C1、C3和C5放电，电容C2、C4和C6充电，如图4中的t2A。接着，电源传递能量给电路，电容C1、C3和C5开始充电，电容C2、C4和C6开始放电直到这一状态结束。这个状态结束时，功率开关S2、S4、S6、S8、S10和S12关断；功率开关S1、S3、S5、S7、S9和S11导通，如图4中的t2B。

第二阶段结束后，新的开关周期从第一阶段开始。

在输入电压的负半周期，固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器有着与图4中相似的工作状态，区别只是电流的方向与正半周期的电流流向相反。

1.3 理论分析

如图2所示，输入端为a-b端、输出端为e-f端，输出输入变比为1/3；输入输出(vi和v0)的理论波形如图4(a)所示，Vpk是输入电压的峰值。当变比为1/3时，电压增益为：

(1)

电容电压的平衡是确保开关电容变换器工作的基本条件。电容C1、C2、C3、C4、C5、C6两端的电压是交流成分，为输入电压vi(高压侧)的1/4。在所提出的开关电容变换器的结构下，电容C7、C8和电容C9、C10也有这样的交流成分。当输入电压加在两侧桥臂上时，两侧的二极管各有一个导通从而形成回路。这些瞬态电压致使对所有的电容引入了一个Vpk/4的直流电压，从而避免了负电压。因此，电容两端电压的成分是由一个峰值为Vpk/4的交流成分和Vpk/4的直流成分组成[11]。所以通过每个电容两端的电压峰值最大为Vpk/2，如图4的c和d所示。由电路工作过程的回路分析可知功率开关承受的最大电压的峰值是3Vpk/4，如图5的(b)所示。

图5 固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的理论电压

本文所提出的固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器工作于交流电压变换时，变换器的工作原理与直-直变换有类似的工作状态和电压电流波形。他们的不同在于当输入电压负半周时，变换器电路各元件的电流方向与输入电压正半周以及直-直变换时相反。交-交变换时不同的电源频率一定程度上会使变换器具有不同工作过程，本文仅讨论电源频率为50 Hz的情况。

2 仿真结果分析

为了验证本文所提出的固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的此拓扑结构理论分析的正确性，对所提出的固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器进行了仿真验证，结果如图6所示。

图6 固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器(变比为1/3)的仿真结果

如图6(a)所示为固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器在多个电源周期的输入输出电压的仿真波形，输入设置是幅值为60 V的交流电压，其仿真输出为幅值20 V的交流电压，输出输入电压变比为1/3。图6(b)为固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器多个电源周期的功率开关管S1两端的电压，最大的耐压值为30，即Vpk/3；图6(c)为左桥臂电容电压，各电容两端电压的成分是由一个峰值为10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分组成的交流电，最大峰值为输入电压的1/3；图6(d)为右桥臂电容在多个电源周期的电压，各电容两端电压的成分也是由一个峰值为10 V(即Vpk/6)的交流成分和10 V(即Vpk/6)的直流成分组成的交流电，最大峰值也为输入电压的1/3。对比理论分析中的图5与图6的仿真结果可知，理论与仿真结果一致。

3 实验验证

为了验证所提出的固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器电路拓扑结构的可行性以及理论分析的正确性，搭建了一个60 V/20 V的双桥臂开关电容变换器电路进行实验。固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的MOSFET开关采用IRFP460，以满足承受电压和电流的要求。电容C1，C2和C3选择10(F的CBB电容，其电容量以及损耗随温度、频率变化小。负载选择100(功率电阻。开关频率选择为50 kHz。

图7 实验电压(纵轴每格20 V)

图7为固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器工作的实验波形，从实验波形与理论波形的对比我们可以得出理论与实验基本一致，降压效果比较好。以60 V交流输入电压为例，负载为 100(，由Agilent 34401A测得输出电压有效值19.8 V，电压变比为0.33，与理论变比非常接近。该固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器除了可以工作在交流的条件下也还可以实现直流(正电压和负电压均可)输入输出。

4 结论

本文在分析和研究了先前的各种单桥臂开关电容变换器的基础上设计出一种固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器，通过研究发现，该变换器既可用于交-交变换，又可用于直-直变换，在此基础上研究了电路的两种工作状态、驱动方式和换向过程，通过仿真对该拓扑结构的准确性进行了验证，并搭建了一个60 V/30 V的双桥臂开关电容变换器对电路的准确性和可行性进行了实验验证。

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FixedVariableThanfor1/3oftheDoubleBridgeArmSwitchCapacitanceTransducer

Li Juan，Cai Hui

(China university of Jiliang 310018, China)

according to the previous study of switched capacitor converter, designed a fixed variable than for 1/3 the double bridge arm switch capacitance transducer.The switch capacitance transducer is a combination of research in recent years, the structural characteristics of single bridge arm switch capacitance transducer, dc switch capacitance transducer, the characteristics and advantages of single bridge arm switch capacitance transducer, and the ability to work in dc and ac two current mode, has small volume, less species required components, and the advantages of high efficiency and power density.Two complementary PWM wave is used to build the power switch tube in the arm switch capacitance transducer drive, relatively simple circuit structure, this paper analyzes the change than fixed than for a third of the double bridge arm driving process, work process, through the simulation of the working process of the high frequency and the capacitance of the reversing process were studied.Fixed variable than is given to a third of the double bridge arm switch circuit design scheme of capacitive transducer and control circuit method and scheme.Finally through the experiment proves the correctness and the feasibility of the circuit topology.

switch capacitance transducer; double bridge arm; PWM control. Analysis of low frequency;Analysis ofhigh frequency

2017-05-09；

2017-07-21。

李 娟(1992-)，安徽六安人，硕士研究生，主要从事开关电容变换器方向的研究。

1671-4598(2017)09-0282-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.072

TM74

A