丁 杰，尹華杰，趙世偉

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

隨著化石能源的日漸枯竭，新能源越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。而以新能源為首的光伏板、燃料電池等電壓較低，通常不高于50 V，為了逆變并網(wǎng)運行，需要將光伏板、燃料電池等的低壓轉(zhuǎn)換成高壓，高增益DC/DC 變換器不可或缺[3-5]。

傳統(tǒng)Boost 變換器由于增益有限且開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，無法應(yīng)用在高增益場合。為此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對高增益變換器做了廣泛的研究。文獻[6-7]提出了變換器的級聯(lián)來提高輸出電壓增益，但所用功率器件較多，且后級功率管的電壓應(yīng)力較高，使得這類變換器的效率、功率密度和可靠性較低；文獻[8-9]利用開關(guān)電容、開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)來提高電壓增益，但隨著電壓增益的提高，功率器件成倍數(shù)增加，增加了成本，降低了變換器工作的可靠性；文獻[10-15]利用耦合電感加倍壓電容來提高電壓增益，不僅能通過占空比調(diào)節(jié)電壓增益，還能改變耦合電感匝比輔助調(diào)壓，提高了變換器調(diào)節(jié)電壓增益的自由度，但此類變換器不能實現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離。傳統(tǒng)隔離型變換器除反激外，其他拓撲如正激、推挽、橋式等都是降壓型變換器，要實現(xiàn)高增益變換，變壓器匝比會很高，會導(dǎo)致變壓器漏感增加，且輸出側(cè)整流二極管的電壓應(yīng)力較高，從而降低了整個變換器的可靠性和效率。

針對上述問題，本文所提變換器結(jié)合反激變換器元器件少、變壓器變比調(diào)壓和開關(guān)電容對電壓增益提高的優(yōu)點，既提高變換器輸出電壓增益和功率密度，又實現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離。開關(guān)電容的引入，一方面能夠提高輸出電壓增益，降低功率器件的電壓應(yīng)力；另一方面還可以解決反激變換器工作在連續(xù)狀態(tài)下輸出二極管反向恢復(fù)問題，進而可以選擇低壓高性能的功率管來提高變換器的效率。

1 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文所提反激式隔離型高增益DC/DC 變換器電路拓撲及其等效電路如圖1 所示。圖1 中，n1/n2為理想變壓器變比，Lm為變壓器的勵磁電感，Lk為原邊漏感及副邊折算到原邊漏感之和。為了分析的方便，做以下假設(shè)：①所有器件均為理想器件，不考慮內(nèi)部的寄生參數(shù)；②電容Cm1、Cm2、Co1、Co2的容量很大，以至于其電壓紋波可以忽略；③勵磁電感Lm工作在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM（continuous conduction mode）。

圖1 電路拓撲及其等效電路Fig.1 Topology of circuit and its equivalence

1.2 工作原理

該變換器在一個開關(guān)周期TS內(nèi)共有6 個開關(guān)模態(tài)，每個模態(tài)主要工作波形、等效電路分別如圖2 和圖3 所示，主要工作過程如下。

圖2 變換器的主要工作波形Fig.2 Main operating waveforms of converter

（1）開關(guān)模態(tài)Ⅰ[t0～t1]：如圖3（a）所示，主開關(guān)管S 和二極管Dm1、Do2導(dǎo)通，箝位開關(guān)管Sc和二極管Dm2、Do1關(guān)斷。變壓器的勵磁電感電流和漏感電流在Uin的作用下線性增加，同時副邊繞組通過二極管Dm1給倍壓電容Cm1充電，與倍壓電容Cm2串聯(lián)后給輸出電容Co2充電。t1時刻，主開關(guān)管S 斷開，進入下一開關(guān)模態(tài)。模態(tài)Ⅰ的方程為

圖3 各種開關(guān)模態(tài)的等效電路Fig.3 Equivalent circuit in each switching mode

（2）開關(guān)模態(tài)Ⅱ[t1～t2]：如圖3（b）所示，開關(guān)管S、SC和二極管Dm2、Do1關(guān)斷，二極管Dm1、Do2、DSc導(dǎo)通。漏感電流在箝位電容Cc的作用下開始線性減小，變壓器副邊繞組由于漏感原因，二極管Dm1、Do2還會導(dǎo)通一段時間。t2時刻，副邊漏感電流下降到0，二極管Dm1、Do2關(guān)斷，Dm2、Do1導(dǎo)通，進入下一開關(guān)模態(tài)。模態(tài)Ⅱ的方程為

（3）開關(guān)模態(tài)Ⅲ[t2～t3]：如圖3（c）所示，開關(guān)管S、Sc和二極管Dm1、Do2關(guān)斷，二極管Dm2、Do1、DSc導(dǎo)通。在此開關(guān)模態(tài)下，勵磁電感電流開始線性下降，漏感電流進一步線性下降。副邊繞組通過二極管Dm2給倍壓電容Cm2充電，同時和倍壓電容Cm1串聯(lián)給輸出電容Co1、負載Ro供電。t3時刻，箝位開關(guān)管Sc導(dǎo)通，進入下一工作模態(tài)。模態(tài)Ⅲ的方程為

式中，Uo為輸出電壓。

（4）開關(guān)模態(tài)Ⅳ[t3～t4]：如圖3（d）所示，開關(guān)管S和二極管Dm1、Do2關(guān)斷，開關(guān)管Sc和二極管Dm2、Do1導(dǎo)通。在此開關(guān)模態(tài)下，漏感電流線性下降至電流反向。t4時刻，箝位開關(guān)管Sc關(guān)斷，進入下一工作模態(tài)。

（5）開關(guān)模態(tài)Ⅴ[t4～t5]：如圖3（e）所示，開關(guān)管S、Sc和二極管Dm1、Do2關(guān)斷，二極管Dm2、Do1、DS導(dǎo)通。主開關(guān)管的體二極管DS導(dǎo)通將其兩端的電壓箝位到0，為零電壓開通創(chuàng)造條件。t5時刻，主開關(guān)管S 導(dǎo)通，進入下一開關(guān)模態(tài)。模態(tài)Ⅴ的方程為

（6）開關(guān)模態(tài)Ⅵ[t5～t6]：如圖3（f）所示，開關(guān)管S和二極管Dm2、Do1導(dǎo)通，開關(guān)管Sc和二極管Dm1、Do2關(guān)斷。此時，開關(guān)管S 是零電壓開通。t6時刻，也就是t0時刻，二極管Dm2、Do1關(guān)斷，Dm1、Do2導(dǎo)通，進入下一開關(guān)模態(tài)。

2 變換器的性能

2.1 電壓增益M

為方便分析，忽略開關(guān)模態(tài)Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ這4個短暫的開關(guān)過程。

根據(jù)勵磁電感Lm的伏秒平衡可知

式中，D 為主開關(guān)管S 的占空比。

聯(lián)立式（5）—式（8），得

式（11）忽略了漏感對電壓增益的影響，考慮漏感后的增益表達推導(dǎo)過程如下詳述。

由電容Cm1、Cm2、Co1、Co2的電荷守恒可知，二極管Do1、Dm1、Do2、Dm2的平均電流都等于輸出電流Io。

簡化后的主要工作波形如圖4 所示。根據(jù)圖4可知，當主開關(guān)管S 斷開，箝位開關(guān)管Sc閉合時，副邊繞組的電流峰值irpeak-discharge為

圖4 簡化后的主要工作波形Fig.4 Main operating waveforms after simplification

在此開關(guān)模態(tài)下漏感Lk的電壓，電容Cm2的電壓和電容Co1的電壓分別為

式中：fs為開關(guān)頻率；Io為輸出電流。

根據(jù)圖4 可知，當主開關(guān)管S 閉合，箝位開關(guān)管Sc斷開時，副邊繞組的電流峰值irpeak-charge為

在此開關(guān)模態(tài)下漏感Lk的電壓，電容Cm1的電壓和電容Co2的電壓分別為

由式（8）、式（9）和式（12）—式（15）可得

式中，km=，其中Ro為電阻負載。

圖5 給出了fs=50 kHz、Ro=500 Ω、N=2 時不同漏感Lk的變換器增益曲線。由此可見，隨著漏感的增加，電壓增益逐漸減小，且隨著占空比的增加，漏感對電壓增益的影響越來越明顯；當占空比達到一定程度時，增益隨著占空比的增加反而減小，在實際設(shè)計變壓器時應(yīng)考慮漏感對電壓增益的影響。

圖5 變換器的增益曲線Fig.5 Gain curves of converter

2.2 元器件電壓應(yīng)力

主開關(guān)管S 和箝位開關(guān)管Sc的電壓應(yīng)力US-stress和為

二極管Dm1、Dm2、Do1、Do2的電壓應(yīng)力為

由式（17）和式（18）可知，開關(guān)管、二極管電壓應(yīng)力都遠小于輸出電壓Uo，可以選用低電壓應(yīng)力、高性能的功率器件來提高變換器的可靠性和效率。

2.3 軟開關(guān)實現(xiàn)條件

開關(guān)管S 零電壓導(dǎo)通的條件為：當開關(guān)管SC1斷開時，漏感Lk儲存的能量大于開關(guān)管S 漏源極間電容CS1中的儲能，即要滿足

2 個開關(guān)管的死區(qū)時間tdead要大于電容CS的放電時間且小于漏感電流下降到0 的時間，即要滿足

由式（4）可知

2.4 性能對比

表1 為有源箝位反激變換器與本文所提變換器性能參數(shù)的對比。由表1 可知，本文所提變換器比有源箝位反激變換器多使用3 個二極管和3 個電容，但輸出電壓增益更高，開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力更低且輸出二極管不存在反向恢復(fù)問題，可使用低電壓等級、高性能的功率器件來提高變換器的效率。

表1 變換器工作特性對比分析Tab.1 Comparative analysis of the operating characteristics of converter

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所提變換器理論分析的正確性，搭建了一臺額定功率為500 W 的樣機，電路參數(shù)如表2所示。

表2 主電路參數(shù)Tab.2 Main circuit parameters

圖6 給出了本文所提變換器的實驗波形，其中圖6（a）—（f）為負載Ro=500 Ω 時的實驗波形，圖6（g）為負載Ro=2 000 Ω 時的實驗波形。圖6（a）為M OS 管柵源極電壓ugs與輸入、輸出電壓，由圖6（a）可知，當占空比約為0.63 時，實現(xiàn)了40 V 到380 V 的轉(zhuǎn)化，避免了極限占空比的出現(xiàn)。圖6（b）為變壓器原邊漏感電流i 的波形，與理論分析波形相同，進一步驗證了理論分析的正確性。圖6（c）給出了倍壓電容Cm1、Cm2、輸出電容Co1、Co2的電壓波形，可知其電壓實驗值與理論計算值相同。圖6（d）和（e）分別為二極管Dm1、Dm2和Do1、Do2的電壓、電流波形，其電壓應(yīng)力與理論計算相同，且所有二極管都是零電流自然關(guān)斷，沒有反向恢復(fù)過程，提高了變換器工作的可靠性。圖6（f）、（g）分別為重載和輕載時主開關(guān)管S 和箝位開關(guān)管Sc的電壓、電流波形，由圖6（f）、（g）可知，主開關(guān)管電壓uS不到150 V，說明有源箝位電路有效地吸收并利用了漏感能量，且開關(guān)管S、Sc在重載和輕載時都實現(xiàn)了零電壓開通，降低了開通損耗，提高了變換器的效率。

圖6 所提變換器的實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of the proposed converter

圖7 為輸出電壓理論增益曲線和實測增益曲線，由圖7 可知，實測電壓增益曲線與理論增益曲線幾乎重合，在忽略誤差的范圍內(nèi)，證明了理論計算的正確性。

圖7 實測電壓增益曲線與理論電壓增益曲線Fig.7 Curves of measured and theoretical voltage gains

圖8 為所提高增益變換器實測的效率曲線，由圖8 可見，該變換器工作在150 W 時效率最高，為96.6%；滿載（500 W）時效率為94.4%。

圖8 效率曲線Fig.8 Efficiency curve

為了驗證所提變換器相對于傳統(tǒng)有源箝位反激變換器的優(yōu)越性，搭建了一臺有源箝位反激變換器的樣機，樣機參數(shù)為：變壓器變比為N=80∶20，輸出二極管Do型號RHRG75120/1 200 V，其他參數(shù)和表2 相同。當變換器工作在100 W 時，占空比約為0.7，效率為90.2%，輸出二極管Do的電壓和電流的波形如圖9 所示，輸出二極管Do的電壓應(yīng)力較高且漏感與二極管的結(jié)電容產(chǎn)生了諧振尖峰，當功率提高，尖峰會進一步上升。由于Do電壓應(yīng)力很高，加入RC 吸收電路又會帶來非常大的損耗。高電壓等級的二極管反向恢復(fù)性能較差，而有源箝位反激變換器不可避免地存在輸出二極管反向恢復(fù)問題，因此傳統(tǒng)的有源箝位反激變換器不適合用于電壓高增益轉(zhuǎn)換的場合中。

圖9 有源箝位反激變換器輸出二極管Do 的電壓、電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of output diode Do in active-clamp flyback converter

4 結(jié)論

本文提出了一種基于反激式隔離型高增益DC/DC 變換器，分析了該變換器的基本工作原理，推導(dǎo)了其增益表達式，并通過一臺額定功率為500 W 的樣機進行了驗證。理論分析和實驗結(jié)果表明，所提變換器有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)合了反激變壓器變比與倍壓電容對電壓增益提高的優(yōu)點，使得該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓高增益的轉(zhuǎn)換，同時也滿足輸入輸出的電氣隔離。

（2）增加倍壓電容不僅能提高電壓增益，降低功率器件的電壓應(yīng)力，還提高了反激變壓器繞組利用率，從而提高了變換器的功率密度。

（3）解決了有源箝位反激變換器輸出二極管與漏感的諧振尖峰問題。

（4）采用有源箝位電路吸收并利用了漏感能量，使得所有開關(guān)管實現(xiàn)了軟開通，提高了變換器的效率和可靠性。

（5）所有二極管都是零電流自然關(guān)斷，不存在二極管的反向恢復(fù)問題，提高了變換器工作的可靠性。