研究发现，均衡器可以降低升压转换器中电压不平衡问题

  为了实现升压转换器，半桥拓扑提供了更简单的转换电路。但是，电容器之间的电压不平衡是一个关键因素，因为传统的控制方法会在校正不平衡时降低功率因数。因此，本文提出了一种电路来纠正这种不平衡，同时保持功率因数。然后，这项工作进行了分析，仿真和实施策略，以通过校正功率因数来减少半桥升压转换器中的电压不平衡。第一部分对均衡器电路进行了描述。然后，采用平均模型进行数学分析。后来，通过仿真进行了比较，包括在不同情况下的其他常规转换器。此外，研究人员进行实验实验室设置；结果表明，均衡器电路减少了半桥升压转换器中电容器之间的电压不平衡。
       相关论文以题为“Design, Analysis, and Implementation of an Equalizer Circuit for the Elimination of Voltage Imbalance in a Half-Bridge Boost Converter with Power Factor Correction”与2020年12月17日发表在《Electronics》上。
                                             

        在电气工程中，必须为连接到网络中的各种设备供电，通过能量转换实现。连接到网络上的设备范围从家庭使用的灯具到更复杂的技术，如电力微电网。大多数配电系统的运行方式是交流电（AC）；因此，需要使用电源转换器作为接口，为电子负载提供直流电（DC）。
       这是通过电子转换器完成的；但对于配电网络来说，这意味着一个问题，因为它们的运行包括谐波电流、向系统注入电抗器以及增加总谐波失真（THD）。
       另一方面，带有功率因数校正(PFC)的电路是减少这种类型的转换器所产生的不便的一种方法。带有PFC的电路可以限制谐波电流，同时降低从网络中看到的THD值，提高转换电路的效率。通过这种方法，所提供的电流波形呈现正弦行为，电流和电压之间的相位角很小，因此从网络的角度来看，负载的行为几乎是电阻式的。
       本文需要考虑的核心问题是，对于实现升压转换器来说，半桥拓扑结构通过使用较少的开关器件提供了更简单的转换电路；然而，电容器之间的电压不平衡是一个关键的研究因素。以往的研究旨在寻找替代方案来消除不平衡的原因，并概述了使用固定带滞后电流控制(HCC)技术设计功率电路。
       为了限制输出电压不平衡，控制器采用了一个带滞后的比较器。采用单极脉宽调制开关模式，以降低低电压时输出电容的放电率。图1显示了纠正不平衡的传统控制方法，然而，向iLREF注入直接分量或在ig和vg之间产生相位差会降低PF。因此，有可能开发其他的方法来纠正不平衡。

                                                                图1.带差分电压回路的控制图，用于半桥配置的功率因数校正转换器。

表1和图2描述了显示低功率因数转换器的相关性的相关工作，强调了半桥升压转换器。这里的主要问题是电压不平衡；此外，还展示了一些应用和控制策略。

                                                                                                                 图2. 相关作品的图文说明。

表1. 相关作品的描述。

    本文主要说明所提出的拓扑结构可以降低半桥升压转换器中的电容不平衡。为此，进行了数学分析和实验测试。在经典拓扑结构中，当校正不平衡时，功率因数会有所影响。因此，研究人员提出了一种工作在不连续导通模式下的开关DC/DC变换器电路(均衡器)，解决了半桥升压变换器中的电压不平衡问题。
    所提出的均衡器电路是加在电压倍增器升压整流器上的。它是由两个晶体管，在这种情况下，MOSFET S1，S2和各自的二极管D1，D2，以及一个电感L组成，因此，一个带均衡器的电压倍增器升压整流器的起源，如图3所示。另外，h是与倍增器-整流器-升压器的开关Sa和Sb相关的占空比，1-h对应的是互补。

                                                                                          图3.电压倍增器升压整流器与均衡器。

拟议的均衡器电路描述
    如前所述，半桥升压转换器中电容器的电压不平衡是一个关键因素，因此本文分析、设计并实现了一种称为均衡器电路的策略来消除电容器上的电压不平衡。
    为了说明所提出的均衡电路在DCM中工作的情况，一方面认为输出电容C1和C2足够大，因此可以忽略开关频率和线频率产生的电压纹波；另一方面，均衡电路的所有元件都是理想的。
    根据电容电压的比较，在均衡器电路的工作中会出现两种模式，影响两个电容的充放电状态。
V1>V2情况下的分析
    在该模式下，晶体管S1和二极管D2工作，如图4所示；同样，该模式下电感的电流i′和电压v′的波形如图5所示。在每个开关周期Ts开始时，电感电流等于零，在第一个区间d1Ts内，同时晶体管S1导通，二极管D2关断；电感的电压等于V1；因此，电感的电流以等于V1L的斜率增加，在这第一个区间结束时，电感电流达到最大值，由：

                                                                                                     图4.V1>V2情况下的均衡器电路。

                                                                             图5.与均衡器电路相关的v′和i′的波形，V1>V2的情况。

    因此，最大电流值Im与电容器C1的电压以及第一个间隔的持续时间成正比，因此，电感从电容器C1吸收能量，与Im的平方成正比，由以下公式给出：

        在第二个区间d2Ts内，晶体管S1关断。同时，二极管D2导通，电感电压等于-V2，然后，电感电流减小，斜率等于-V2L，在这第二个区间结束时，二极管D2反极化，电感在第一个区间吸收的能量转移到电容C2上。

        在第三个区间d3Ts内，电感电流和电压保持为零。因此，在这种模式下，均衡器电路在第一个间隔期间对电容器C1放电，在第二个间隔期间对电容器C2充电。

结论

        为解决电压不平衡问题，提出了一种基于DCM的均衡变换电路。对均衡器电路的工作进行了定性描述；此外，还得到了一个由两个电源组成的平均电路模型。该模型被用来详细分析均衡器如何消除电容器中的电压不平衡；为此，计算了定义流经两个电容器的平均电流的表达式，获得了均衡器各工作模式下的电压变化，以及电压差在开关期间的变化。

        此外，研究人员还提出了一个简单的滞带控制方案，对均衡器开关的 "开 "和 "关 "进行管理。分析结果通过在实验室建立的原型机上进行的实验得到了验证。结果表明，在不同负载条件下，均衡器电路如何消除稳态下的电压不平衡；因此，在满载时表现出高功率因数。因此，均衡电路不会影响电压倍增器升压整流器的工作。

        通过与其他经典拓扑结构的比较，可以看出，当电容器的值发生变化时，所提出的电路不会降低功率因数；但是，它必须使用额外的元件，这增加了它的复杂性。

       在进一步的工作中，预计将开发出另一种控制器，以利用本文提出的两个电源模型消除转换器电容器上的电压不平衡。

   图文来源：MDPI  论文链接：https://www.mdpi.com/2079-9292/9/12/2171/htm