大功率儲能型有源箝位反激變換器的研究

作者 王云濤1 楊文榮1 魯兵1 喻志森1 劉江華2 1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院(天津 300130)2.天津天傳新能源電氣有限公司(天津 300180)

摘要：本設(shè)計主要適用于蓄電池與逆變器直流母線之間的變換器，接受逆變器的調(diào)度，實現(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)計原理，闡述了能量正向傳遞時的工作過程，并對主電路參數(shù)進行設(shè)計計算。通過搭建模型進行仿真，得出工作過程波形。通過實驗驗證了理論與仿真的正確性，以及實現(xiàn)了該反激變換器的主開關(guān)管的零電壓開通(Zero Voltage Switch，ZVS)。

引言

　　獨立風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響很大，輸出功率不穩(wěn)定，所以，迫切需要配置儲能系統(tǒng)來保證系統(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變換器工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大、可靠性低，解決問題的最佳方式是采用軟開關(guān)技術(shù)。有源箝位雙向DC-DC反激變換器可以實現(xiàn)變壓器漏感能量的吸收、開關(guān)管的關(guān)斷電壓抑制，以及實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS等功能^[1,2]。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，是雙向反激電路實現(xiàn)電壓箝位和軟開關(guān)的首選技術(shù)。

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

1 電路拓撲與工作模態(tài)分析

　　1.1 電路拓撲

　　有源箝位雙向反激直流變換器的電路拓撲如圖1所示。該拓撲結(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_m和理想變壓器Tx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程中，大部分時間工作在能量的正向傳遞過程，所以，以向蓄電池充電的方向為正^[3,4]。

　　1.2 工作模態(tài)分析

　　進入穩(wěn)態(tài)工作后，以開關(guān)管S₁和S₄的開通為起點。一個周期由十個模態(tài)組成，運用十個區(qū)間來分析變換器的工作過程，每個區(qū)間的參數(shù)波形變化如圖2所示。

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

　　t₀~t₁：在t₀時刻，開關(guān)管S₁為持續(xù)開通狀態(tài)，開關(guān)管S₄零電壓開通。開關(guān)管S₂、S₃處于關(guān)斷狀態(tài)。變壓器的激磁電感L_m儲存能量，激磁電感L_m的電流線性增加。副邊電流給箝位電容C_c2充電，因為C_c2很大，所以兩端的電壓近似不變，電感L_r2上的電流線性減小。開關(guān)管S₂的電壓被箝位在U₂+UC_c2。

(1)

　　t₁~t₂：在t₁時刻，開關(guān)管S₁和S₄關(guān)斷，原邊電流給S₁的輸出電容C_r1充電，變壓器開始放電，副邊電流反向給S2的輸出電容C_r2放電，這個模態(tài)時間很短，所以可以近似認為C_r1的電壓線性增加，C_r2上的電壓線性減小。

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

　　t₃~t₄：在t₃時刻，當U_c1被充電至U_in+U_c1時，副邊開關(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，此期間開通S₂，可以實現(xiàn)S₂的零電壓開通。

　　t₄~t₅：在t₄時刻，開關(guān)管S₂和S₃零電壓開通，則副邊電流從箝位開關(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Lm線性減小，箝位電容C_c1和電感L_r1發(fā)生諧振，電感L_r1電流線性減小，箝位電容C_c1的電壓增大，因為C_c1電容很大，所以諧振過程中電壓近似不變。S₁兩端電壓被箝位在U₁+UC_c1。

(2)

　　t₅~t₆：t₅時刻，開關(guān)管S₂和S₃斷開，電感L_r1被輸出電容C_r1充電，副邊電流方向不變，開關(guān)管S₂的體二極管續(xù)流。

　　t₆~t₇：t₆時刻，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，原邊開關(guān)管S₁的漏源電壓UDS被箝位在一個負的體二極管導(dǎo)通的壓降值上，原邊上的電感L_r1上的反向電流線性減小，副邊電感L_r2電流線性減小。

　　t₇~t₈：t₇時刻起，原邊開關(guān)管S₁零電壓開通，變壓器原、副邊繼續(xù)換流。當電感L_r1電流和激磁電流相等時，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~t₀：t₀時刻，輸出電容C_r2兩端電壓被充電至U_c2，輔助開關(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)?之前開通，都可實現(xiàn)開關(guān)管S₄的的零電壓開通。之后開始重復(fù)t₀時刻開關(guān)周期工作。

2 主要電路參數(shù)設(shè)計

　　2.1 零電壓開通條件

　　要實現(xiàn)開關(guān)管S₁的零電壓開通，必須使其在t₆~t₇之間開通。在t₇時刻，電感L_r1的電流變向，重新給C_r1進行充電，S₁的DS電壓不再為0。因此，開關(guān)管S₃關(guān)斷和S₁開通之間的最佳延遲時間為諧振電感L_r1和諧振電容C_r1諧振周期的四分之一，因此需要滿足關(guān)系式：

(3)

　　此外，在開關(guān)管S₃關(guān)斷時刻(t₅時刻)電感L_r1的存儲能量必須足夠大，能夠存儲C_r1上電荷的完全釋放能量，因此，在該時刻滿足以下能量關(guān)系：，其中，。當電感L_r1在S₃關(guān)斷時刻沒有存儲足夠的能量，只能一定程度上降低S₁的開通損耗。

　　2.2 參數(shù)設(shè)計

　　2.2.1 主要技術(shù)設(shè)計指標

　　本有源箝位反激變換器的設(shè)計目標，如表1所示。

　　2.2.2 變壓器的參數(shù)設(shè)計

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

　　(1)磁芯材料

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