Page 44 - 电力与能源2024年第五期
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576           吴   立,等:双脉冲测试参数设计与四开关 Buck-Boost DC-DC 变换器效率评估

                振荡结束的整个过程。这是对 τ 2 时长下限的要                             为了避免关断电流过大,要求 I L (t 3 )小于等于
                求,一般要求 τ 2 只要大于 1~2 μs 即可。另外,在                   I set 的 1.5 倍,即:
                脉冲间隔内, I L 应按照式(5)缓慢下降,其中 U F 是                             ( τ 1 + τ 3 )U set /L ≤ 1. 5I set  (8)
                陪测开关管 Q H 体二极管的导通压降。                             2.3 母线电容
                       dI L ( t )  U F [ I L ( t ) ]+ I L ( t ) R es( L )  (5)  测试期间,需保持母线电压 U Bus 恒等于 U set
                         dt  =            L                      不变。由于第一脉冲期间直流电源响应速度较
                    但需注意,如果 I L 下降幅度过大,与 I set 相差                慢, I L 由 C Bus 提供,导致 U Bus 会有一定程度的下降。
                太大,则无法达到测试目的,也就无法满足 Q L 在
                                                                 为了避免 U Bus 下降过多, C Bus 需要满足式(2)所示
                t 2 时刻开通的要求。这是对 τ 2 时长上限的要求。
                                                                 要 求 ,其 中 K v 为 允 许 电 压 下 降 的 比 例 ,一 般 取
                该值与 τ 1 设计过程相似,具体值需要根据测试对
                                                                 0.5%~2.0%。
                象和电压、电流目标值进行设计。                                                           2
                                                                                        LI set           (9)
                    对于第二脉冲脉宽 τ 3,在 t 2 时刻 Q L 开通,在此                             C Bus ≥     2
                                                                                      2K vU set
                过程中需要关注 Q L 的 U GS 从开始上升到 I DS 振荡                    由式(9)可知,负载电感的电感值 L 越大所需
                结束的整个过程。这是对 τ 3 时长下限的要求,一                        的母线电容的电容值 C Bus 也越大。然而, C Bus 过大
                般 τ 3 时长只要大于 1~2 μs 即可。另外,在第二脉                   会导致母线电容充放电时间延长,且在测试电路
                冲期间, I L 按照式(3)上升,在 t 3 时刻达到 I L (t 3 )。         发生故障时可能产生的后果也更严重,故倾向选
                当 I L (t 2 )与 I set 相差不大时,I L (t 3 )为            择更小的负载电感,以降低对 C Bus 的要求。
                            I L ( t 3 )=( τ 1 + τ 3 )U set /L  (6)  2.4 参数设定的方法

                    过高的 I L (t 3 )会导致关断电压尖峰过高,当超                     根据上述研究,脉宽时间、负载电感与母线
                过器件耐压时会导致器件损坏,或者不符合开关                            电容之间是互相影响、互相制约的。例如,为了
                管实际应用的环境,这是对 τ 3 上限的要求。为此,                       缩短 τ 1、减小 C Bus,选择的 L 应越小越好,但为了

                可以要求 τ 3 小于 τ 1 的 0.1~0.2 倍,即 I L (t 3 )小于 I set  确保 I L (t 2 )贴近 I set,要求 L 不能过小。故在设计双
                的 1.5 倍,并且越短越好。                                  脉冲测试参数时,需要通过仔细计算才能确定各
                2.2 负载电感                                         个参数的取值范围。
                    负载电感的主要限制为:在变换器中,负载电
                                                                     以下是一种确定这 3 种参数的方法。
                感需要足够大,远远大于主功率换流回路电感,以
                                                                     第一步,设定 τ 1,τ 2,τ 3 的最小值,分别为 τ 1,min,
                确保在开关过程中 I L 基本恒定,换流的高频电流
                                                                     τ
                                                                 τ 2,min, 3,min,它们需满足下式条件:
                通过主功率换流回路获得。在双脉冲测试中,负
                                                                                 τ 1,min ≥ 2τ 3,min     (10)
                载电感也需要远远大于主功率换流回路的电感,
                                                                     第二步,预设 τ 1 备选取值范围 τ 1,min~τ 1,max,通
                一般取值在几十微毫到几百微毫之间。
                                                                 过下式计算出对应的电感取值范围:
                    第 一 脉 宽 τ 1 由 式(4)确 定 ,当 U set 和 I set 确 定
                                                                           ττ1,minU set  τ 1,maxU set
                                                                   L τ1,min =      ≤ L ≤         = L τ1,max (11)
                时,L 越大则 τ 1 越大,L 越小则 τ 1 越小,L 的取值要                           I set          I set
                满足 τ 1 的上下限要求。                                       根据 L 的范围计算确定电感等效串联电阻
                    在 t 2 时刻,开通电流 I L (t 2 ),其中 I L (t 1 )=I set,  R es( L ) 的范围为 R es( L ),min ~R es( L ),max 。
                脉冲间隔 I L 按照式(5)缓慢下降。双脉冲测试要                           第三步,预设 τ 2 取值,将 R es( L ),min ~R es( L ),max 代
                求 I L (t 2 )与 I set 相差不大,则在此前提下可由式(7)            入下式得到 L 的取值范围 L τ2,min ~L τ2,max。
                计算负载电感最小值 L min,其中 K i 为电流下降率,                                   U F ( I set )+ I set R es( L )
                                                                           L = τ 2                      (12)
                一般取 0.5%~2.0%。                                                         K i I set
                                                                     第 四 步 ,根 据 L τ1,min ~L τ1,max、 L τ2,min ~L τ2,max 与
                                 U F ( I set )+ I set R es( L )
                           L ≥ τ 2                      (7)
                                       K i I set                 R es( L ),min ~R es( L ),max 的对应关系确定 L 的取值范围,
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