降压型双桥臂交流开关电容变换器研究

李 娟，蔡 慧

(中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

开关电容变换器由电容和功率开关组成，其通过控制功率开关的导通与关断来控制电容的充放电时间，从而实现电能从输入传递到输出。电容作为一种储能元件，具有体积小、效率高和功率密度大等优点[1-2]。近年来，开关电容变换器不断发展[3]。早期研究主要集中在直流领域、小功率场合[4-5],如汽车工业、电池工业以及直流电机等。随着开关电容变换器研究的深入，人们越来越重视交流开关电容变换器的研究[6-9]。研究主要集中在单桥臂开关电容变换器，而对双桥臂开关电容变换器的研究甚少。

1 降压型双桥臂开关电容变换器

本文所提出的交交变换(AC-AC)开关电容变换器包含左右2个桥臂，左右对称、结构相同，保证了电路的稳定性；同时，直流分量的引入能够确保各电容在正压环境下工作。本文提出的1-3降压型双桥臂开关电容变换器，可以实现1/2、1/3和2/3这3种变比。

开关电容变换器由变比为n的变压器和等效内阻为Req的电阻串联而成。等效电路如图1所示。电压变比由电路拓扑结构决定。研究表明，稳态性能主要由等效内阻决定。因此，对1-3降压型双桥臂开关电容变换器高频工作过程的研究具有重要意义。

图1 等效电路

目前，对双桥臂开关电容变换器的研究主要如下。文献[10]对1-2型双桥臂开关电容变换器进行了研究，但其仅给出了高频理论分析，并未给出仿真或试验验证，也未探讨各个电容之间的变化规律；而电容的充放电规律，对后续的整个电路性能的研究具有重要意义[11]。文献[12]也提到了1-2型双桥臂开关电容变换器，但主要研究的是单桥臂和双桥臂串联的拓扑结构，并没有对双桥臂开关电容变换器进行实质研究。本文对1-3降压型双桥臂开关电容变换器的电容、功率开关管、电路拓扑结构和电压增益等进行了研究。

功率开关的门极驱动信号为脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)波。该波形是两组互补的矩形波，如图2所示。

图2 PWM波形

图2中：S为功率开关。当S1、S5、S7、S9、S11处于高电平导通时,S2、S4、S6、S8、S10处于低电平关断；同理，当S1、S5、S7、S9、S11处于低电平关断时,S2、S4、S6、S8、S10处于高电平导通。

2 理论分析

本节对所提出的1-3降压型双桥臂开关电容变换器进行了理论分析。首先，给出低频分析(即输入/输出在电源周期的变化过程分析)，包括功率开关承受的电压波形、电容两端电压波形和输入/输出电压波形；然后，给出高频分析(即输入/输出在开关周期的工作过程分析)，包括各电容的电压波形和电流波形；最后，给出各电容之间的关系和换向规律。

2.1 低频分析

低频分析主要是为了得到1-3降压型双桥臂开关电容变换器的特征，如工作原理、电压增益、开关管的电压应力以及电容在电源周期的工作波形。在1-3降压型双桥臂开关电容变换器中，电容C7、C8确保电容C1、C2、C3之间的平衡，电容C9、C10确保电容C4、C5、C6之间的平衡。

①变比为1/2时的开关电容变换器电路拓扑结构如图3所示。

图3 电路拓扑结构图(变比为1/2)

当变比为1/2时，电压增益为：

(1)

当变比为1/2时，开关电容变换器理论电压如图4所示。图4中：Upk为输入电压的峰值。

当输入端为c-d端、输出端为e-f端，输出/输入变比为1/2；输入/输出(Ui和Uo)的理论波形如图4(a)所示。

刷式汽封名义上属于柔齿汽封，究其实际，应视为硬齿与柔齿相结合的汽封。安装时通常将其硬齿按照标准间隙调整，柔齿间隙在此基础上可较大幅度减小。因为柔齿与转子间隙为弹性配合，具有较好的自适应能力。刷式密封是一种允许摩擦，理论上可做到“零”间隙的密封。为了避免对轴产生损害，与刷式密封相配合的轴颈处需要一层耐高温、耐磨蚀的涂层。但国内使用时，似乎都没能做这样的处理。因此在确保刷毛不脱落的情况下应当尽量选用较细的刷毛，以避免或减轻对主轴的损伤。

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3Upk/4，如图4(b)所示。

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Ui(高压侧)的1/4。在开关电容变换器结构下，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。这些瞬态电压引入了Upk/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由峰值为Upk/4的交流成分和Upk/4的直流成分组成[11]，所以通过每个电容两端的最大电压峰值为Upk/2，如图4(c)和图4(d)所示。

图4 理论电压曲线(变比为1/2)

②变比为1/3时的开关电容变换器电路拓扑结构如图5所示。

图5 电路拓扑结构图(变比为1/3)

当变比为1/3时，电压增益为：

(2)

当变比为1/3时，开关电容变换器理论电压如图6所示。

图6 理论电压曲线(变比为1/3)

③变比为2/3时的开关电容变换器电路拓扑结构如图7所示。

图7 电路拓扑结构图(变比为2/3)

当变比为2/3时，电压增益为：

(3)

当变比为2/3时，开关电容变换器理论电压如图8所示。

图8 理论电压曲线(变比为2/3)

2.2 高频分析

在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，1-3降压型双桥臂开关电容变换器分为两种工作阶段。以输入电压的正半周期为例，说明如下。

①第一阶段DT。

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。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。在这整个阶段中，电容C7和C10充电，电容C8和C9放电。这一阶段结束时,S1、S3、S5、S7、S9和S11关断； S2、S4、S6、S8、S10和S12导通。

②第二阶段(1-D)T。

第二阶段(1-D)T： S1、S3、S5、S7、S9和S11关断； 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，电源接收来自电路的能量，电容C1、C3和C5放电，电容C2、C4和C6充电。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,S2、S4、S6、S8、S10和S12关断； S1、S3、S5、S7、S9和S11导通。

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，1-3降压型双桥臂开关电容变换器有着相似的工作状态，只是电流的方向相反。

3 仿真结果分析

3.1 低频仿真分析

①开关电容变换器仿真结果(变比为1/2)。

当变比为1/2时，开关电容变换器仿真结果如图9所示。图9(a)为1-3降压型双桥臂开关电容变换器(变比为1/2)在多个电源周期的输入/输出电压的仿真波形。输入是幅值为60 V的交流电压，其仿真输出为幅值30 V的交流电压，输出/输入电压变比为1/2。图9(b)为多个电源周期功率开关管S1两端的电压，最大的耐压值为45 V，即3Upk/4。图9(c)为左桥臂各电容电压，各电容两端电压的成分是由一个峰值为15 V(即Upk/4)的交流成分和15 V(即Upk/4)的直流成分组成的交流电压。图9(d)为右桥臂电容在多个电源周期的电压，电容两端电压的成分也是由一个峰值为15 V(即Upk/4)的交流成分和15 V(即Upk/4)的直流成分组成的交流电压，最大峰值为输入电压的1/2。对比图4与图9可知，理论与仿真结果一致。

图9 仿真结果图(变比为1/2)

②开关电容变换器仿真结果(变比为1/3)。

当变比为1/3时，输入是幅值为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。功率开关管两端的最大耐压值为30 V，即Upk/3。在多个电源周期中：左桥臂电容两端电压是由一个峰值为10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/6)的直流成分组成的交流电，最大峰值为输入电压的1/3；右桥臂电容两端电压的成分也由一个峰值为10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/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。理论与仿真结果一致。

③开关电容变换器仿真结果(变比为2/3)。

当变比为2/3时，输入是幅值为60 V的交流电压，其仿真输出为幅值40 V的交流电压，输出/输入电压变比为2/3。在多个电源周期中：功率开关管两端电压最大的耐压值为30 V，即Upk/3；左桥臂电容电压是由一个峰值为10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/6)的直流成分组成的交流电，最大峰值为输入电压的1/3；右桥臂电容电压也是由一个峰值为10 V(即Upk/6)的交流成分和10 V(即Upk/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，即Upk/3。理论与仿真结果一致。

3.2 高频仿真分析

1-3降压型双桥臂开关电容变换在工作时可分为2个独立的1-2降压双桥臂开关电容变换[11]。这2个独立的子电路高频变换过程和换向规律与1-2降压型双桥臂开关变换器相同。开关电容变换器高频工作过程如图10所示。

图10 高频工作过程图

以图10为例，开关频率设置为50 kHz，占空比为40%，电容C2、C3、C8可视为其中一个1-2降压双桥臂开关电容变换器的左桥臂回路，而电容C5、C6、C10则为这个1-2降压双桥臂开关电容变换器的右桥臂回路；同理，电容C1、C2、C7组成另一个1-2降压双桥臂开关电容变换器的左桥臂回路，而电容C4、C5、C9则组成这个1-2降压双桥臂开关电容变换器的右桥臂回路。

以独立的1-2降压型双桥臂开关电容变换器为例，平衡电容C8、C10起着吸收电源电能和对负载释放能量的作用。电容C2、C3、C5、C6在其电流同时变为0时，进行充放电的换向，与1-2降压型双桥臂开关电容变换器完全一致。

4 结束语

本文在1-2双桥臂开关电容变换器的基础上，研究了1-3降压型开关电容变换器。首先，对低频的输入/输出电压变比、功率开关管的电压应力、各电容在电源周期的工作波形进行了理论分析；接着，对高频工作过程中电容的充放电状态进行分析；最后，通过仿真结果进行了验证，发现了开关电容变换器的每个电容的充放电过程和每个电容在何时换向的规律。采用仿真软件，解决了试验过程中不能同时观察多个电容波形及其规律的问题。

该分析方法不仅适用于1-3降压型双桥臂开关电容变换器的研究，也适用于1-3降压型单桥臂开关电容变换器的研究。

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