范麗芳，陳道煉

（福州大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)研究所，福建 福州350108）

0 引 言

雙向直流變換器具有廣闊的應(yīng)用前景。例如用于衛(wèi)星上給蓄電池充放電的太陽能電池系統(tǒng)；在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，將雙向直流變換器用于能源和動(dòng)力的轉(zhuǎn)換部分；雙向直流變換器還在備份電源中發(fā)揮重要作用；以及在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、不停電電源系統(tǒng)中也有相應(yīng)的應(yīng)用。因此，雙向直流變換器具有重要的研究價(jià)值。

反激直流變換器因其簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于中小功率場合，具有輸入輸出隔離、升降壓功能和過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于這種變換器中的高頻儲(chǔ)能式變壓器磁芯通常需要加氣隙，因此漏感、功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)引起的電壓尖峰和關(guān)斷損耗均較大［1］。采用RCD或RC緩沖電路可抑制功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)漏感引起的電壓尖峰，但緩沖電路損耗大。

本文提出并分析研究了有源箝位雙向反激變換器電路拓?fù)?，可有效解決其功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)漏感引起的電壓尖峰，達(dá)到降低功率開關(guān)電壓應(yīng)力和提高變換效率的目的。

1 電路拓?fù)?/h2>

有源箝位雙向反激直流變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示。該拓?fù)涫窃陔p向反激變換器的基礎(chǔ)上，通過在高頻變壓器原副邊繞組上添加有源箝位電路得到。每個(gè)有源箝位電路均由箝位電容（Cc1、Cc2）和箝位開關(guān)（Sc1、Sc2）串聯(lián)構(gòu)成；高頻變壓器用磁化電感 （Lm1、Lm2）、諧振電感（Lr1、Lr2）和變比為 N1：N2的理想變壓器T來表示，其中諧振電感包括變壓器漏感和外加串聯(lián)小電感。Cr1、Cr2表示原副邊開關(guān)管和相應(yīng)有源箝位開關(guān)管上的結(jié)電容。該變換器不改變輸出電壓極性而實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。

圖1 有源箝位雙向反激直流變換器電路拓?fù)?/p>

有源箝位雙向反激直流變換器正向傳遞功率、反向傳遞功率如圖2所示。

圖2 變換器能量傳遞方向

2 穩(wěn)態(tài)原理特性

2.1 原邊電感電流的三種情形

在原副邊兩個(gè)開關(guān)管交替互補(bǔ)導(dǎo)通的情況下只存在電流連續(xù)模式（CCM），因此原邊電感電流存在三種情況：電流初值與終值均大于零；電流初值與終值均小于零；電流初值小于零，終值大于零。如圖3所示。

圖3 互補(bǔ)導(dǎo)通方式下變換器原邊電感電流原理波形

當(dāng)iL1初值大于零時(shí)，變換器正向傳遞能量，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，S1導(dǎo)通S2截止期間變壓器儲(chǔ)能；當(dāng)S1截止S2導(dǎo)通后，變壓器儲(chǔ)能通過S2或S2的體二極管向負(fù)載供電和濾波電容充電。若開關(guān)管S2的導(dǎo)通壓降小于體二極管的正向壓降，則電流流過開關(guān)管S2，此時(shí)也稱為同步整流，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗降低。若原副邊開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在死區(qū)，S2可先讓體二極管導(dǎo)通，再開通開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS）。理想情形下Ui和Uo關(guān)系為：

當(dāng)iL1初值與終值均小于零時(shí)，變換器反向傳遞能量，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，S2導(dǎo)通S1截止期間變壓器儲(chǔ)能，而當(dāng)S2截止S1導(dǎo)通期間，變壓器儲(chǔ)能向輸入端回饋，理想情形Ui與Uo關(guān)系式為：

式中，D＇為S2的占空比，D 為S1的占空比，D＋D＇＝1。則可將式（2）化為，與式（1）相同。

當(dāng)iL1初值小于零、終值大于零時(shí)，意味著在S1導(dǎo)通S2截止期間變壓器先向輸入端釋放能量而后繼續(xù)正向儲(chǔ)能，iL1反向減小到0后正向增大。因此，變換器不存在電流斷續(xù)模式而是電流交替流動(dòng)模式，理想情形下Ui和Uo關(guān)系仍與式（1）相同。

變換器傳遞能量的方向，可用平均功率來判斷。設(shè)原邊電感電流初值為IL1min，終值為IL1max，理想情形下輸入輸出功率Pi與Po可表示為：

由式（3）可知，若｜IL1max｜＞｜IL1min｜，則變換器平均功率正向傳遞；若｜IL1max｜＜｜IL1min｜，則變換器平均功率反向傳遞；若｜IL1max｜＝｜IL1min｜，則變換器平均傳遞功率為0。

2.2 外特性曲線

互補(bǔ)導(dǎo)通方式下雙向反激直流變換器的標(biāo)幺外特性，如圖4所示。其中，曲線A右邊為iL1初值大于零時(shí)外特性曲線；曲線B左邊為iL1終值小于零時(shí)外特性曲線；曲線A與曲線B之間為iL1初值小于零、終值大于零時(shí)外特性曲線。實(shí)線為理想情形時(shí)曲線，虛線則為實(shí)際情形時(shí)曲線?？梢婋p向反激直流變換器的特性曲線關(guān)于縱坐標(biāo)（N1Uo／N2Ui）對(duì)稱，可以平滑地實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

圖4 互補(bǔ)導(dǎo)通方式下雙向反激直流變換器標(biāo)幺外特性

2.3 高頻開關(guān)過程分析

以正向傳遞功率為例，有源箝位反激變換器的高頻開關(guān)過程原理波形，如圖5所示。假設(shè)：Lr1、Lr2遠(yuǎn)小于變壓器激磁電感 Lm（Lr1約為5%～10%的Lm1）［2］；箝位電容和諧振電感的諧振周期要遠(yuǎn)大于開關(guān)周期，滿足關(guān)系式；變換器工作在CCM模式；儲(chǔ)存在諧振電感內(nèi)的能量遠(yuǎn)比諧振電容內(nèi)的能量大，目的是為了主開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)ZVS［3］；變換器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，iLm1恒為正。Uc1為穩(wěn)態(tài)時(shí)原邊箝位電容上電壓，Uc2為穩(wěn)態(tài)時(shí)副邊箝位電容上電壓，分析電路后可知Uc1≈ （N1／N2）Uo，Uc2≈ （N2／N1）Ui。

圖5 有源箝位反激變換器的高頻開關(guān)過程原理波形

在此分九個(gè)區(qū)間來詳細(xì)分析高頻開關(guān)過程的原理波形。

t0～t1：S1導(dǎo)通，Sc1和S2都關(guān)斷，S2體二極管和Sc1體二極管因電壓反偏而截止。Lm1和Lr1線性充電。

t1～t2：t1時(shí)刻，關(guān)斷S1，磁化電感電流（即諧振電感電流）以諧振的方式對(duì)Cr1充電，充電時(shí)間短暫，uds1線性上升。變壓器原邊電壓uN1逐漸下降到－Uo（N1／N2），下降斜率為而變壓器副邊電壓隨之由－Ui（N2／N1）增大為Uo。

t2～t3：在t2時(shí)刻Cr1上電壓充至udS1＝Ui＋Uc1，達(dá)到Sc1體二極管導(dǎo)通條件，Sc1體二極管導(dǎo)通。因?yàn)镃c1遠(yuǎn)大于Cr1，幾乎所有的激磁電流都通過二極管流入Cc1。箝位電容將漏感和變壓器激磁電感上的電壓箝位在Uc1值。

t3～t4：t3時(shí)刻變壓器原邊電壓降到足夠低，使S2上的體二極管正向?qū)?，這時(shí)開通S2，則實(shí)現(xiàn)S2零電壓開通。uN1被輸出電壓箝位在 （N1／N2）Uo。隨著iLr1逐漸下降，t3時(shí)刻iLr1下降到小于iLm1，副邊電流iS2開始上升，變換器開始向負(fù)載傳輸能量。

t4～t5：Lr1和Cc1發(fā)生諧振，諧振電流流出箝位電容。在iCc1開始反向之前開通Sc1，使其零電壓開通。

t5～t6：t5時(shí)刻關(guān)斷Sc1，將 Cc1從電路中切除。Lr1和Cr1開始諧振。當(dāng)Cr1放電過程，uN1仍然被箝位在（N1／N2）Uo。

t6～t7：存儲(chǔ)在Lr1的能量比Cr1上的能量大，在t6時(shí)刻Cr1將能量完全釋放，S1體二極管開始導(dǎo)通。Lr1上電壓被箝位在Ui＋（N1／N2）Uo。這時(shí)副邊電流iS2的下降速率為：

t6時(shí)刻零電壓關(guān)斷S2（此時(shí)udS2＝0），副邊磁化電感電流iLm2以諧振方式為Cr2充電，但充電時(shí)間非常短，使得uds2近似線性上升。uN2開始線性下降。

t7～t8：在t7時(shí)刻零電壓開通S1，iLr1逐漸上升，iS2逐漸下降；在t8時(shí)刻iLr1已上升到iLm1，iS2＝0，S2體二極管反偏。而uds2在t7時(shí)刻等于Uo＋Uc2，Sc2體二極管達(dá)到導(dǎo)通條件而導(dǎo)通。因?yàn)轶槲浑娙軨c2遠(yuǎn)大于Cr2，幾乎所有的電流都通過Sc2體二極管流入Cc2。Cc2將uN2箝位在Uc2值。

t8～t9：t8時(shí)刻iLm1＝iLr1，iS2減小到零，S2體二極管反偏，能量傳遞過程結(jié)束，隨后Lm和Lr再次線性充電。uN2已經(jīng)下降到使SC2體二極管導(dǎo)通，Lr2和Cc2開始諧振，在iCc2開始反向前開通Sc2，使其零電壓開通，直到諧振電流流出箝位電容Cc2。t9時(shí)刻ZVS關(guān)斷Sc2，Lr2和Cr2開始諧振。之后開始重復(fù)上一個(gè)開關(guān)周期的工作。

總之，有源箝位雙向反激直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式，不論能量是正向傳遞還是反向傳遞，原副邊的有源箝位電路都能起到很好的箝位效果，降低損耗。為了更清楚地展示電壓電流的變化過程，在圖5中將t1～t4和t5～t8的時(shí)刻放大了，實(shí)際上這兩段時(shí)刻都非常短暫。

3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 占空比

由式（1）可知，雙向反激直流變換器的電壓傳輸比為：

占空比較大時(shí)能得到較小的匝比，使得開關(guān)管上電壓、電流應(yīng)力相應(yīng)降低，但會(huì)使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間變長。因此為了適應(yīng)多種負(fù)載情況，不能將占空比設(shè)計(jì)得太大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般設(shè)計(jì)為D＝0.4。

3.2 高頻儲(chǔ)能式變壓器

要使雙向反激直流變換器工作在CCM模式下，變壓器原邊電感應(yīng)該滿足：

式中，Pomin為原邊電感電流初值恰好為零時(shí)對(duì)應(yīng)輸出功率。副邊電感滿足：

3.3 輸出濾波電容

在輸出電壓峰值的開關(guān)周期內(nèi)，原邊開關(guān)管導(dǎo)通的DTs期間，濾波電容給負(fù)載供電，有：

取輸出電壓紋波小于輸出電壓峰值的ku%，則根據(jù)上式，濾波電容Cf滿足：

3.4 有源箝位電容Cc

有源箝位電容是用于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，并且通過諧振吸收漏感上能量。因此可得：

由于原副邊拓?fù)鋵?duì)稱，因此原副邊的箝位電容均可按此公式計(jì)算。

4 Saber仿真分析

仿真實(shí)例：輸入電壓Ui＝40～60 VDC，輸出電壓Uo＝380 VDC，輸出功率Po＝500 W，開關(guān)工作頻率fs＝50 k Hz，變壓器匝比N1／N2＝1：12，原邊電感L1＝8μH，副邊電感L2＝1 152μH；箝位電容Cc1＝19μF，Cc2＝0.1μF，諧振電感 Lr1＝0.8μH，Lr2＝115.2μH。

有源箝位雙向反激直流變換器在額定輸入電壓48 VDC和額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)仿真波形，如圖6所示。

圖6 額定輸入電壓、額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)仿真波形

圖6 所示仿真結(jié)果表明：（1）原副邊的有源箝位電路之間相互不影響；（2）原副邊添加的有源箝位電路使該變換器的功率開關(guān)關(guān)斷瞬間的電壓尖峰得到箝位，功率開關(guān)和箝位開關(guān)均實(shí)現(xiàn)了ZVS，降低了開關(guān)損耗；（3）通過諧振的方式將漏感能量吸收，而后傳遞給負(fù)載，提高了變換效率；（4）由圖5、6可見變壓器原邊電壓形狀與只有原邊加有源箝位電路時(shí)候的波形不同。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)有源箝位電路雙向反激直流變換器穩(wěn)態(tài)原理分析，得出了該變換器功率傳遞的判斷公式和外特性曲線。對(duì)有源箝位電路雙向反激直流變換器高頻開關(guān)過程做了詳細(xì)分析，并用仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。加有源箝位后的雙向反激直流變換器充分利用了漏感能量，降低了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力和損耗，改善了EMI干擾情況，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該拓?fù)涫且环N對(duì)稱的拓?fù)洌虼丝蓪⒃撏負(fù)溆糜谛枰芰侩p向流動(dòng)的場合，例如太陽能對(duì)蓄電池的充放電系統(tǒng)等。

［1］ Gwan－Bon Koo，Myung－Joong Youn.A New Zero Voltage Switching Active Clamp Flyback Converter［C］.IEEE Power Elecrronics Sperialisrs Conference，35rh Annul，2004：508－510.

［2］ Robert Watson，F(xiàn)red C Lee，Guichao C Hua.Utilization of an Active－Clamp Circuit to Achieve Soft Switching in Flyback Converters［J］.IEEE Transactions on Power E－lectronics，1996，11（1）：162－169.

［3］ Bor－Ren Lin，Huann－Keng Chiang，Kao－Cheng Chen.A－nalysis，design and i mplementation of an active clamp flyback converter［C］.IEEE PEDS，2005：424－429.

［4］ 張?zhí)m紅，陳道煉.反激變換器開關(guān)應(yīng)力控制技術(shù)研究［J］.電力電子技術(shù)，2002，36（2）：29－31，25.