王云濤　楊文榮　魯兵　喻志森　劉江華

摘要：本設(shè)計(jì)主要適用于蓄電池與逆變器直流母線(xiàn)之間的變換器，接受逆變器的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)蓄電池的充、放電功能。主要分析了輸入（或輸出）300V，輸出（或輸入）48V的有源箝位雙向反激DC-DC變換器的電路設(shè)計(jì)原理，闡述了能量正向傳遞時(shí)的工作過(guò)程，并對(duì)主電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)搭建模型進(jìn)行仿真，得出工作過(guò)程波形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論與仿真的正確性，以及實(shí)現(xiàn)了該反激變換器的主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通（Zero Voltage Switch，ZVS）。

關(guān)鍵詞：有源箝位；DC-DC；反激變換器

DIO：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.015

引言

獨(dú)立風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響很大，輸出功率不穩(wěn)定，所以，迫切需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)保證系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。雙向DC-DC變換器可實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)能量與蓄電池能量的雙向傳遞。雙向DC-DC變換器朝著高頻性、高可靠性、高效率、小型輕量化和高性能的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的雙向DC-DC變換器工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大、可靠性低，解決問(wèn)題的最佳方式是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。有源箝位雙向DC-DC反激變換器可以實(shí)現(xiàn)變壓器漏感能量的吸收、開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電壓抑制，以及實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS等功能。此外，在雙向反激變換器中采用有源箝位技術(shù)，未增加電路控制的復(fù)雜程度，是雙向反激電路實(shí)現(xiàn)電壓箝位和軟開(kāi)關(guān)的首選技術(shù)。

本文主要對(duì)雙向反激變換器的有源箝位變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 電路拓?fù)渑c工作模態(tài)分析

1.1 電路拓?fù)?/p>

有源箝位雙向反激直流變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以基本雙向反激變換器隔離變壓器為基礎(chǔ)，在隔離變壓器兩側(cè)添加有源箝位電路形成的。

其中，U_in、U_out為輸入輸出電壓；激磁電感L.和理想變壓器T_x組成反激變壓器；L_r1、L_r2為變壓器一次側(cè)漏感和二次側(cè)漏感；C_r1、C_r2分別為主開(kāi)關(guān)管S₁、S₂的結(jié)電容；C_c1、C_c2分別為箝位電容，與箝位開(kāi)關(guān)管S₃、S₄串聯(lián)組成箝位電路。

在發(fā)電系統(tǒng)能量與蓄電池能量的雙向傳遞過(guò)程中，大部分時(shí)間工作在能量的正向傳遞過(guò)程，所以，以向蓄電池充電的方向?yàn)檎?/p>

1.2 工作模態(tài)分析

進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，以開(kāi)關(guān)管S₁和S₄的開(kāi)通為起點(diǎn)。一個(gè)周期由十個(gè)模態(tài)組成，運(yùn)用十個(gè)區(qū)間來(lái)分析變換器的工作過(guò)程，每個(gè)區(qū)間的參數(shù)波形變化如圖2所示。

在模態(tài)分析之前，需進(jìn)行假設(shè)：分析開(kāi)始時(shí)，變換器進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)，激勵(lì)電感L_m上的電流恒為正；箝位電容C_c1和C_c2非常大，開(kāi)關(guān)過(guò)程中其兩端電壓近似不變；電感L_r上儲(chǔ)存能量足夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管S₁的零電壓導(dǎo)通；電感L_r1、L_r2之值遠(yuǎn)小于激磁電感值L_m（L_r約為5%～10%的L_m）；箝位電容C_c1與電感L₁諧振周期要滿(mǎn)足關(guān)系式：。

（1）

t₁-t₂：在t₁時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S₁和S₄關(guān)斷，原邊電流給S₁的輸出電容C_r1充電，變壓器開(kāi)始放電，副邊電流反向給S₂的輸出電容C_r2放電，這個(gè)模態(tài)時(shí)間很短，所以可以近似認(rèn)為C_r1的電壓線(xiàn)性增加，C_r2上的電壓線(xiàn)性減小。

t₂～t₃：當(dāng)C_r1電壓充電至U_in+U_c1時(shí)，原邊輔助箝位開(kāi)關(guān)管S₃的體二極管導(dǎo)通，原邊電流開(kāi)始給箝位電容C_c1和輸出電容C_r1充電，由于C_c1比C_r1大很多，忽略對(duì)C_r1的充電。當(dāng)S₃的體二極管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管S₃的漏源電壓UDS被箝位在一個(gè)負(fù)的體二極管導(dǎo)通電壓上，此期間開(kāi)關(guān)管S₃開(kāi)通，可實(shí)現(xiàn)S₃的零電壓開(kāi)通。這期間C_c1兩端的電壓上升，C_r2的電壓減小。

t₃-t₄：在t₃時(shí)刻，當(dāng)U_c1被充電至U_in+U_c1，時(shí)，副邊開(kāi)關(guān)管S₂的體二極管導(dǎo)通，則S₂的UDS被箝位在體二極管的導(dǎo)通電壓上，此期間開(kāi)通S₂，可以實(shí)現(xiàn)S₂的零電壓開(kāi)通。

t₄-t₅：在t₄時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S₂和S₃零電壓開(kāi)通，則副邊電流從箝位開(kāi)關(guān)管S₂的體二極管轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電溝道上，S₂同步整流。激磁電感電流L_m線(xiàn)性減小，箝位電容C_c1和電感L_r1發(fā)生諧振，電感L_r1電流線(xiàn)性減小，箝位電容C_c1的電壓增大，因?yàn)镃_c1電容很大，所以諧振過(guò)程中電壓近似不變。S₁兩端電壓被箝位在U₁+U_Cc1。

（2）

t₅-t₆：t₅時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S₂和S₃斷開(kāi)，電感L_r1被輸出電容C_r1充電，副邊電流方向不變，開(kāi)關(guān)管S₂的體二極管續(xù)流。

t₆～t₇：t₆時(shí)刻，原邊輸出電容C_r1的電壓降為0，之后S₁的體二極管導(dǎo)通，原邊開(kāi)關(guān)管S₁的漏源電壓U_DS被箝位在一個(gè)負(fù)的體二極管導(dǎo)通的壓降值上，原邊上的電感L_r1上的反向電流線(xiàn)性減小，副邊電感L_r2電流線(xiàn)性減小。

t₇～t₈：t₇時(shí)刻起，原邊開(kāi)關(guān)管S₁零電壓開(kāi)通，變壓器原、副邊繼續(xù)換流。當(dāng)電感L_r1電流i_r1和激磁電流i_m相等時(shí)，換流結(jié)束，S₂的體二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)電流。

t₈～t₉：這個(gè)模態(tài)期間，S₂的體二極管反向截止，副邊電流給輸出電容C_r2充電。

t₉～t₁₀：t₀時(shí)刻，輸出電容C_r2兩端電壓被充電至U_c2，輔助開(kāi)關(guān)管S₄的體二極管導(dǎo)通，繼續(xù)給電感L_r2續(xù)流，在i_r2電流變?yōu)?之前開(kāi)通，都可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管S₄的的零電壓開(kāi)通。之后開(kāi)始重復(fù)t₀時(shí)刻開(kāi)關(guān)周期工作。

2 主要電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 零電壓開(kāi)通條件

要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管S₁的零電壓開(kāi)通，必須使其在t₆-t₇之間開(kāi)通。在t₇時(shí)刻，電感L_r1的電流變向，重新給C_r1進(jìn)行充電，S₁的DS電壓不再為0。因此，開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷和S1開(kāi)通之間的最佳延遲時(shí)間為諧振電感L_r1和諧振電容C_r1諧振周期的四分之一，因此需要滿(mǎn)足關(guān)系式：

（3）

此外，在開(kāi)關(guān)管S₃關(guān)斷時(shí)刻（t₅時(shí)刻）電感L_r1的存儲(chǔ)能量必須足夠大，能夠存儲(chǔ)C_r1上電荷的完全釋放能量，因此，在該時(shí)刻滿(mǎn)足以下能量關(guān)系：E_Lr1>E_Cr1，其中，。當(dāng)電感L_r1在S₃關(guān)斷時(shí)刻沒(méi)有存儲(chǔ)足夠的能量，只能一定程度上降低S₁的開(kāi)通損耗。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 主要技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)

本有源箝位反激變換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表1所示。

2.2.2 變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器在有源箝位反激變換器中充當(dāng)傳輸能量的元件，其設(shè)計(jì)思路和一般反激變換器設(shè)計(jì)思路一致。輸入電壓越低，占空比越大，峰值電感電流越大，所要求的勵(lì)磁電感也越大，所以應(yīng)在最小輸入電壓的條件下設(shè)計(jì)變壓器的各項(xiàng)參數(shù)。

（1）磁芯材料

參照設(shè)計(jì)規(guī)格中的額定功率和開(kāi)關(guān)頻率，本次設(shè)計(jì)選用PC40磁材，該材料的主要參數(shù)如表2所示。

（2）磁芯尺寸

采用面積乘法（AP）確定磁芯尺寸，所謂的面積乘法，該變壓器的設(shè)計(jì)容量為：

（4）

式中，A_e為磁芯有效面積；A_w為可繞導(dǎo)線(xiàn)窗口面積；η為電路效率；J_s為導(dǎo)線(xiàn)的電流密度，選取4A/mm²；K_m為窗口填充系數(shù)，K_m=0.2-0.3，此處選取0.25；K_f為波形系數(shù)，選取K_f=4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取EE60磁芯，其參數(shù)如表3所示。該磁芯A_p>A_{p min}，故滿(mǎn)足要求。

（3）初級(jí)繞組匝數(shù)

初級(jí)繞組的計(jì)算公式為：

帶入已知參數(shù)，可得N_p=23.0350t，取整后，最終初級(jí)繞組匝數(shù)N_p為24t。

（4）次級(jí)繞組匝數(shù)

次級(jí)繞組的計(jì)算公式為：

式中，U_D為二極管壓降，一般選取U_D=0.7。將已知參數(shù)帶入，求得N_s=3.6774t，取整，次級(jí)匝數(shù)N_s為4t。

2.2.3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）占空比

在變壓器的原、副邊交替互補(bǔ)導(dǎo)通的情況下，只存在電流連續(xù)模式。在連續(xù)模式中，根據(jù)伏秒平衡得式（5），聯(lián)立式（5）和式（6）即可得出正向工作時(shí)的占空比取值范圍為0.37～0.49。

5）

（6）

（2）原邊激磁電感L_m

變換器在充、放電工作過(guò)程中，必須保證激磁電感電流i_m恒為正值，激磁電感L_m需滿(mǎn)足關(guān)系式（7），副邊激磁電感為。

（7）

（3）原邊串聯(lián)電感L_r1

根據(jù)2.1提到的零電壓開(kāi)通條件可知，電感L_r1的存儲(chǔ)能量必須足夠大，能夠存儲(chǔ)電容C_r1釋放的能量，所以滿(mǎn)足式（8），同理可求副邊串聯(lián)電感L_r2。

（8）

（4）原邊箝位電容C_c1

箝位電容的數(shù)值設(shè)計(jì)主要基于反激變壓器的漏感值，箝位電容與漏感組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，其諧振周期的一半應(yīng)大于開(kāi)關(guān)管S₁的最大關(guān)斷時(shí)間，即滿(mǎn)足式（9），原副邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，同理可得副邊箝位電容C_c2

3 工作波形仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 工作波形仿真

本文使用PSI M軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的有源箝位雙向反激變化器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。此外，變壓器采用EE60磁芯，原邊電感L_m=350“H，變壓器匝數(shù)比N=6：1，原副邊諧振電感為L(zhǎng)_r1=30μH、L_r2=0.1μH，原副邊箝位電容為C_c1=0.22μF、C_c2=6.6μF。通過(guò)仿真，得到正向傳遞時(shí)的工作波形，如圖3所示。仿真結(jié)果與理論分析基本保持一致。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合上述分析，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖4所示。

（1）電路工作在滿(mǎn)載情況時(shí)

蓄電池端充、放電的電流波形如圖5所示。在圖5中，I_S2為蓄電池上的充電電流，通過(guò)霍爾傳感器轉(zhuǎn)化成電壓形式，測(cè)量電壓1 V則相當(dāng)于此時(shí)產(chǎn)生電流為20A。由圖可知，蓄電池上的電流為25A。圖5a為反激變換器初級(jí)側(cè)電流，該變換器工作在連續(xù)模式下，并在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷瞬間，電流產(chǎn)生波動(dòng)。圖5b為工作在充電過(guò)程中（正方向），流經(jīng)蓄電池的電流隨開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的變化，圖5c為放電過(guò)程中的變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷的瞬間，開(kāi)關(guān)的切換會(huì)對(duì)高壓探頭表筆產(chǎn)生干擾，蓄電池充電電流出現(xiàn)波動(dòng)起伏，呈衰減趨勢(shì)，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

如圖6所示，U_S1為主開(kāi)關(guān)管S₁的驅(qū)動(dòng)電壓，U_DS為S₁的DS電壓。U_S2為主開(kāi)關(guān)管S₂的驅(qū)動(dòng)電壓，UDS為S₂的DS電壓。在S₁、S₂的開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前，開(kāi)關(guān)管DS之間的電壓下降至零附近，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的電壓基本沒(méi)有波動(dòng)，說(shuō)明在滿(mǎn)載情況下，很好地實(shí)現(xiàn)了ZVS。

4 結(jié)論

為研究適用于大功率儲(chǔ)能型逆變器的DC-DC變換器的工作過(guò)程，對(duì)雙向有源箝位反激變化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。在普通雙向反激變換器的基礎(chǔ)上，增加有源箝位電路能夠充分利用漏感能量，能夠降低功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和損耗。本文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該有源箝位反激變換器的工作過(guò)程理論分析的正確性以及實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的可行性，能夠適用于大功率場(chǎng)合。