一種隔離型雙向軟開關(guān)DC／DC變換器

　　摘 要：針對(duì)雙向DC／DC變換器存在的開關(guān)損耗高等問題，提出了一種新型的隔離型雙向軟開關(guān)DC／DC變換器。該變換器由對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。在電感和變壓器漏感的作用下，變換器中的開關(guān)元件能夠在較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。同時(shí)在脈寬調(diào)制的控制下，二極管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。這些措施減小了開關(guān)損耗、電壓電流應(yīng)力以及電磁干擾。分析了工作原理和開關(guān)過程，研制了一臺(tái)500W的試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明：在輕載和重載的條件下，所有的開關(guān)管都能夠零電壓導(dǎo)通，同時(shí)二極管能夠在電流為零(ZCS)的情況下自然關(guān)斷。

　　關(guān)鍵詞：雙向DC／DC變換器；隔離型軟開關(guān)；開關(guān)損耗

　　隨著功率變換技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)開關(guān)電源的性能、重量、體積、效率和可靠性提出了更高的要求，而開關(guān)電源的高頻化則是使其滿足上述要求的一個(gè)重要手段，特別是其有助于減小電感、變壓器等磁性元件的體積，并改善開關(guān)電源的電磁兼容性，因此成為開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。但開關(guān)元件的開關(guān)損耗限制了工作頻率的進(jìn)一步提高，成為制約開關(guān)電源高頻化的主要因素，所以，開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)一直是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。而雙向DC／DC變換器是近年來(lái)功率變換的又一個(gè)研究熱點(diǎn)，它可廣泛地應(yīng)用于電動(dòng)汽車、分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能充放電機(jī)等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。雙向DC／DC變換器不僅可以充當(dāng)兩個(gè)不同電壓等級(jí)電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系橋梁，還能夠進(jìn)行能量調(diào)節(jié)和管理。由于雙向DC／DC變換器具有能量雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，因此與單向DC／DC變換器相比，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所不同：通常，雙向DC／DC變換器的變壓器原副邊兩側(cè)都采用全控元件，元件較多，因而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的難度更大。

　　本文將Buc-k／Boost電路與半橋電路相結(jié)合，提出了一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)的隔離型雙向軟開關(guān)DC／DC變換器。

　　1 原理簡(jiǎn)介

　　1．1 能量雙向流動(dòng)的原理

　　新型隔離型雙向軟開關(guān)DC／DC變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，變壓器兩側(cè)均采用“半橋”結(jié)構(gòu)，同一橋臂的上下兩個(gè)功率開關(guān)器件S1和S2、S3和S4分別互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)能量由V1側(cè)流向V2側(cè)時(shí)，稱為正向工作模式，此時(shí)由S1、S2組成超前橋臂，S3、S4組成滯后橋臂，即S1的觸發(fā)脈沖超前于S3的觸發(fā)脈沖一定角度(移相角)；反之，當(dāng)能量由V2側(cè)流向V1側(cè)時(shí)，稱為反向工作模式，相應(yīng)地，S3、S4組成超前橋臂，S1、S2組成滯后橋臂。以正向工作模式為例，介紹能量的流動(dòng)過程如下。

　　為簡(jiǎn)化分析，先假定下列條件：

　　1)所有的開關(guān)元件都是理想的；

　　2)電路工作在穩(wěn)態(tài)；

　　3)所有的儲(chǔ)能元件都是無(wú)損的。

　　從變壓器的原邊觀察，電路類似于Boost電路，通過對(duì)S2導(dǎo)通時(shí)間(占空比)的調(diào)節(jié)，可以在a點(diǎn)獲得不同的電壓。同時(shí)利用S1和S2的輪流導(dǎo)通，在變壓器原邊得到正負(fù)交替的電壓。而對(duì)于變壓器副邊，利用S3和S4的反并聯(lián)二極管進(jìn)行整流，把變壓器上的脈沖交流電壓整流成直流，并對(duì)電容C3、C4充電。在電容C3、C4足夠大的情況下，電容上的電壓可以認(rèn)為不變。此時(shí)，副邊電路的原理與Buck電路類似。

　　能量流動(dòng)的具體過程如下。

　　S2關(guān)斷后，變壓器原邊電路類似于Boost電路的放電狀態(tài)。電感L1通過Ds1對(duì)C1充電，此時(shí)S1可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。隨著變壓器原邊電流逐漸上升，充電電流減小。當(dāng)電流減小至零并改變方向時(shí)，S1導(dǎo)通，輸入電流iL1流經(jīng)漏感Lσ1、原邊線圈對(duì)C2充電，同時(shí)C1通過S1、Lσ1、原邊線圈構(gòu)成的回路放電。此時(shí)，變壓器原邊電壓的極性為上正下負(fù)，同時(shí)原邊電流ip從同名端流入，電壓與電流為“關(guān)聯(lián)方向”，因而由V1輸出的能量傳遞到變壓器中。相應(yīng)地，此時(shí)變壓器副邊反并聯(lián)二極管DS3處于導(dǎo)通狀態(tài)，副邊電流is一部分流經(jīng)L2、負(fù)載(V2側(cè))使C4放電，另一部分通過Ds3對(duì)C3充電。變壓器副邊電壓極性為上正下負(fù)，is從同名端流出，電壓、電流為“反關(guān)聯(lián)方向”，因此能量由變壓器傳遞到V2側(cè)。

　　當(dāng)原邊S2導(dǎo)通時(shí)，由V1、L1、S2組成的回路對(duì)L1充電，iL1緩慢上升，同時(shí)C2通過變壓器原邊線圈、Lσ1、S2組成的回路放電。變壓器原邊電壓極性為上負(fù)下正，且ip從同名端流出。此時(shí)副邊Ds4導(dǎo)通，is流經(jīng)Ds4、副邊線圈對(duì)C4充電，同時(shí)電感L2通過負(fù)載、Ds4放電。變壓器副邊電壓極性為上負(fù)下正，is從同名端流入，在此期間V1側(cè)輸出能量，V2側(cè)輸入能量。

　　由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在變壓器兩側(cè)完全對(duì)稱，因此變換器工作在反向模式時(shí)，工作原理以及能量的流動(dòng)過程與上述過程類似。

　　1．2 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

　　正向工作模式下，一個(gè)完整的開關(guān)周期中的主要原理波形如圖2所示。在開關(guān)元件并聯(lián)結(jié)電容與并聯(lián)電容的作用下，即將關(guān)斷的開關(guān)元件上的電壓不能發(fā)生突變，因此開關(guān)元件可以認(rèn)為在零電壓的情況下關(guān)斷。由于同一橋臂上下兩個(gè)脈沖之間的間隔很小，利用電感和結(jié)電容的諧振，使即將導(dǎo)通的開關(guān)元件的結(jié)電容放電，當(dāng)結(jié)電容兩端的電壓為零時(shí)，反并聯(lián)二極管承受正向電壓而導(dǎo)通，從而為開關(guān)元件的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。與移相全橋電路相比，由于變壓器副邊不存在占空比丟失，副邊電感L2參與諧振，因此滯后橋臂也可以在較大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。與上述開關(guān)過程類似，變壓器副邊的S3和S4也是利用各自的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)零電壓開通，S3和S4的開通主要是為減小反并聯(lián)二極管Ds3和Ds4反向恢復(fù)引起的損耗以及電磁干擾。以S3為例：反并聯(lián)二極管Ds3導(dǎo)通后，S3可以在零電壓的條件下開通，更為重要的是Ds3中的電流會(huì)逐漸減少至零，電流轉(zhuǎn)移到S3中，Ds3實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷(ZCS)，從而減少了Ds3關(guān)斷過程中反向恢復(fù)帶來(lái)的影響。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC／DC變換器在變壓器兩側(cè)完全對(duì)稱，因此能量雙向流動(dòng)時(shí)的軟開關(guān)條件相同。本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在負(fù)載為電阻的情況下得到的。如果負(fù)載為蓄電池等電源，仿真結(jié)果證明軟開關(guān)特性保持不變。

　　2 開關(guān)過程分析

　　以正向工作模式為例，一個(gè)完整的開關(guān)周期可分為12個(gè)開關(guān)過程，如圖3所示，to時(shí)刻前S1和S2導(dǎo)通。

　　過程1(to～t1)：to時(shí)刻，S1關(guān)斷。由于電容Cs1的作用，S1在零電壓(ZVS)下關(guān)斷。在變壓器漏感Lσ1的作用下，變壓器原邊電流ip繼續(xù)按原方向流動(dòng)，給Cs1充電，同時(shí)Cs2放電。

　　過程2(t1～t2)：t1時(shí)刻，S3關(guān)斷，由于Cs3的作用S3ZVS關(guān)斷。此時(shí)Cs3充電，Cs4放電。

　　過程3(t2～t3)：t2時(shí)刻，Cs2兩端的電壓降為零，Ds2正偏導(dǎo)通，為S2的導(dǎo)通創(chuàng)造了ZVS條件。此時(shí)，流經(jīng)電感L1的電流iL1增長(zhǎng)而ip逐漸下降，但ip仍然大于iL1變壓器副邊電壓極性保持不變，為維持整個(gè)回路的電壓和為零，Lσ1上承受的電壓是變壓器原邊電壓與C2上的電壓之和。

　　過程4(t3～t4)：t3時(shí)刻，Cs4兩端的電壓降至零，Ds4導(dǎo)通，此時(shí)S4可在ZVS條件下導(dǎo)通。此時(shí)，變壓器副邊電壓極性改變，電感電流iL2開始下降。

　　過程5(t4～t5)：t4時(shí)刻，電感電流iL1大于變壓器原邊電流ip，S2ZVS導(dǎo)通，Ds2零電流(ZCS)關(guān)斷。當(dāng)ip(或iL2)降至零時(shí)，電流方向改變。

　　過程6(t5～t6)：t5時(shí)刻，iL2大于變壓器副邊電流is，S4ZVS導(dǎo)通，Ds4ZCS關(guān)斷。

　　過程7(t6～t7)：t6時(shí)刻，S2在Cs2的作用下ZVS關(guān)斷，Cs2開始充電而Cs1放電。

　　過程8(t7～t8)：t7時(shí)刻，S4ZVS關(guān)斷。Cs4充電，Cs3放電。

　　過程9(t8～t9)：t8時(shí)刻，Cs1兩端的電壓降為零，Ds1導(dǎo)通，為S1的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造條件。此階段iL1下降而iu上升。

　　過程1O(t9～t10)：t9時(shí)刻，Cs3兩端電壓降為零，Ds3導(dǎo)通，此時(shí)S3可以實(shí)現(xiàn)ZVS開通。變壓器副邊電壓極性再次發(fā)生改變，且iL2開始增長(zhǎng)。當(dāng)iL2(或ip)增至零時(shí)，電流再次改變方向。

　　過程l1(t10～t11)：t10時(shí)刻，變壓器原邊電流ip大于電感電流iL1,S1ZVS開通，DslZCS關(guān)斷。

　　過程12(t11～t12)：t11時(shí)刻，副邊電