推挽全橋雙向直流變換器的研究

1 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴重和新能源的開發(fā)，雙向直流變換器得到了越來越廣泛的應用，像直流不停電電源系統(tǒng)，航天電源系統(tǒng)、電動汽車等場合都應用到了雙向直流變換器。越來越多的雙向直流變換器拓撲也被提出，不隔離的雙向直流變換器有Bi Buck/Boost、Bi Buck-Boost、Bi Cuk、 Bi Sepic-Zeta;隔離式的雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓撲結構。不同的拓撲對應于不同的應用場合，各有其優(yōu)缺點。推挽全橋雙向直流變換器是由全橋拓撲加全波整流演變而來。推挽側為電流型，輸入由蓄電池供給，全橋側為電壓型，輸入接在直流高壓母線上。此雙向直流變換器拓撲適用在電壓傳輸比較大、傳輸功率較高的場合。

本文分析了推挽全橋雙向直流變換器的工作原理，通過兩種工作模式的分析，理論上證明了此拓撲實現(xiàn)能量雙向流動的可行性，并對推挽側開關管上電壓尖峰形成原因進行了分析，提出了解決方法，在文章的最后給出了仿真波形和實驗波形。

2 工作原理

圖1為推挽全橋雙向DC/DC變換器原理圖。圖2給出了該變換器的主要波形。變換器原副邊的電氣隔離是通過變壓器來實現(xiàn)的，原邊為電流型推挽電路，副邊為全橋電路，該變換器有兩種工作模式：(1)升壓模式：在這種工作模式下S1 、S2 作為開關管工作; S3，S4 ，S5 ，S6 作為同步整流管工作，整流方式為全橋整流，這種整流方式適用于輸出電壓比較高，輸出電流比較小的場合。由于電感L 的存在 S1、S2 的占空比必須大于0.5。(2)降壓模式：在這種工作模式下 S3， S4， S5，S6 作為開關管工作，S1 、S2 作為同步整流管工作，整流方式為全波整流。分析前，作出如下假設：

所有開關管、二極管均為理想器件;

所有電感、電容、變壓器均為理想元件;

，

;

2.1 升壓工作模式

在升壓工作模式下，原邊輸入為電流型推挽電路，副邊輸出為全橋整流電路。S1 ，S2 作為開關管工作，S3 ， S4， S5，S6 作為同步整流管工作。電感電流工作于連續(xù)模式。

圖1 推挽全橋雙向DC/DC變換器

圖2推挽全橋雙向DC/DC變換器電路波形

以一個開關周期 T為例：

2.2 降壓工作模式

在降壓工作模式下，輸入為全橋電路，輸出為全波整流電路。 S3， S4， S5，S6 作為開關管工作， S1， S2作為同步整流管工作。

以一個開關周期 T為例：

由此可見，當 與( ， ); 與( ， )互補工作時，輸入輸出電壓關系是相同的，變換器具有很好的可逆性。

3 緩沖電路

推挽全橋雙向直流變換器推挽側的兩個開關管在關斷時有較大的電壓尖峰。這是由于電感 和漏感的存在。因為兩管的占空比大于0.5，所以存在共同的導通時間，當這段時間結束關斷其中一個開關管時，會引起很大的 ，形成較大的電壓尖峰加在開關管上。而全橋側由于是電壓型且不存在短路問題，所以沒有電壓尖峰的問題。基于以上問題就需要采用合適的緩沖電路來緩解電壓尖峰問題。

3.1 緩沖電路分析與選擇

緩沖電路分為有損緩沖電路和無損緩沖電路兩類，有損緩沖電路結構簡單，便于設計參數(shù)，例如RCD緩沖電路;無損緩沖電路雖不會造成電路的損失，但一般結構復雜，參數(shù)設計不易，有時還會影響開關管的選擇，例如LCD緩沖電路。基于以上原因，決定采用LCD有損緩沖電路。

3.2 RCD緩沖電路

圖3是采用了RCD緩沖電路的推挽全橋雙向直流變換器。當開關管關斷時，緩沖電路中的D迅速導通給C充電，由于電容的特性，開關管DS間的電壓緩慢上升。當開關管開通時，C上的能量再通過開關管和R消耗掉。C和R的參數(shù)設計十分重要，C選的過小會影響效果，過大會加大損耗，R的設計取決于C，要使C上的能量在開關管開通時全部放掉。一般

(3)

公式中 為開關管最小導通時間。

圖3 帶RCD緩沖電路的推挽全橋雙向

DC/DC變換器

圖四是未加緩沖電路和加了RCD緩沖電路的推挽側開關管 的DS間的仿真波形。由仿真波形可看出未加緩沖電路時電壓尖峰大小幾乎為電壓平臺的四倍，加了緩沖電路后電壓尖峰降低為平臺的兩倍。緩沖效果還是比較好的。

圖4 開關管 的DS間的仿真波形

4 電路主要參數(shù)設計

4.1 高頻變壓器設計：

圖5所示為開環(huán)升壓模式實驗波形，圖6為開環(huán)降壓模式實驗波形，由圖可以看出加了RCD緩沖電路的推挽全橋雙向DC/DC變換器推挽側開關管在關斷時有較大的電壓尖峰，約為電流平臺的兩倍與仿真結果一致，同時該電路很好的實現(xiàn)了電流的雙向流動，與理論分析一致。

6 結語

本文分析了推挽全橋雙向DC/DC變換器，該變換器適用于電壓傳輸比較大，需要電氣隔離的大功率場合，推挽側開關管電壓尖峰的問題可通過緩沖電路得到緩解。

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