一種隔離型雙向軟開關DC／DC變換器

　　摘 要：針對雙向DC／DC變換器存在的開關損耗高等問題，提出了一種新型的隔離型雙向軟開關DC／DC變換器。該變換器由對稱的拓撲結構組成。在電感和變壓器漏感的作用下，變換器中的開關元件能夠在較大的負載范圍內實現零電壓開關。同時在脈寬調制的控制下，二極管實現了零電流關斷。這些措施減小了開關損耗、電壓電流應力以及電磁干擾。分析了工作原理和開關過程，研制了一臺500W的試驗樣機并進行了試驗。試驗結果證明：在輕載和重載的條件下，所有的開關管都能夠零電壓導通，同時二極管能夠在電流為零(ZCS)的情況下自然關斷。

　　關鍵詞：雙向DC／DC變換器；隔離型軟開關；開關損耗

　　隨著功率變換技術的發(fā)展，人們對開關電源的性能、重量、體積、效率和可靠性提出了更高的要求，而開關電源的高頻化則是使其滿足上述要求的一個重要手段，特別是其有助于減小電感、變壓器等磁性元件的體積，并改善開關電源的電磁兼容性，因此成為開關電源技術發(fā)展的一個重要趨勢。但開關元件的開關損耗限制了工作頻率的進一步提高，成為制約開關電源高頻化的主要因素，所以，開關電源的軟開關技術一直是電力電子技術的一個重要研究方向。而雙向DC／DC變換器是近年來功率變換的又一個研究熱點，它可廣泛地應用于電動汽車、分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能充放電機等方面，具有廣闊的應用前景。雙向DC／DC變換器不僅可以充當兩個不同電壓等級電氣系統(tǒng)之間的聯系橋梁，還能夠進行能量調節(jié)和管理。由于雙向DC／DC變換器具有能量雙向流動的特點，因此與單向DC／DC變換器相比，它的拓撲結構有所不同：通常，雙向DC／DC變換器的變壓器原副邊兩側都采用全控元件，元件較多，因而實現軟開關的難度更大。

　　本文將Buc-k／Boost電路與半橋電路相結合，提出了一種對稱結構的隔離型雙向軟開關DC／DC變換器。

　　1 原理簡介

　　1．1 能量雙向流動的原理

　　新型隔離型雙向軟開關DC／DC變換器的電路結構如圖1所示，變壓器兩側均采用“半橋”結構，同一橋臂的上下兩個功率開關器件S1和S2、S3和S4分別互補導通。當能量由V1側流向V2側時，稱為正向工作模式，此時由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，當能量由V2側流向V1側時，稱為反向工作模式，相應地，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，介紹能量的流動過程如下。

　　為簡化分析，先假定下列條件：

　　1)所有的開關元件都是理想的；

　　2)電路工作在穩(wěn)態(tài)；

　　3)所有的儲能元件都是無損的。

　　從變壓器的原邊觀察，電路類似于Boost電路，通過對S2導通時間(占空比)的調節(jié)，可以在a點獲得不同的電壓。同時利用S1和S2的輪流導通，在變壓器原邊得到正負交替的電壓。而對于變壓器副邊，利用S3和S4的反并聯二極管進行整流，把變壓器上的脈沖交流電壓整流成直流，并對電容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為不變。此時，副邊電路的原理與Buck電路類似。

　　能量流動的具體過程如下。

　　S2關斷后，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C1充電，此時S1可以實現零電壓導通。隨著變壓器原邊電流逐漸上升，充電電流減小。當電流減小至零并改變方向時，S1導通，輸入電流iL1流經漏感Lσ1、原邊線圈對C2充電，同時C1通過S1、Lσ1、原邊線圈構成的回路放電。此時，變壓器原邊電壓的極性為上正下負，同時原邊電流ip從同名端流入，電壓與電流為“關聯方向”，因而由V1輸出的能量傳遞到變壓器中。相應地，此時變壓器副邊反并聯二極管DS3處于導通狀態(tài)，副邊電流is一部分流經L2、負載(V2側)使C4放電，另一部分通過Ds3對C3充電。變壓器副邊電壓極性為上正下負，is從同名端流出，電壓、電流為“反關聯方向”，因此能量由變壓器傳遞到V2側。

　　當原邊S2導通時，由V1、L1、S2組成的回路對L1充電，iL1緩慢上升，同時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下正，且ip從同名端流出。此時副邊Ds4導通，is流經Ds4、副邊線圈對C4充電，同時電感L2通過負載、Ds4放電。變壓器副邊電壓極性為上負下正，is從同名端流入，在此期間V1側輸出能量，V2側輸入能量。

　　由于拓撲結構在變壓器兩側完全對稱，因此變換器工作在反向模式時，工作原理以及能量的流動過程與上述過程類似。

　　1．2 軟開關的實現

　　正向工作模式下，一個完整的開關周期中的主要原理波形如圖2所示。在開關元件并聯結電容與并聯電容的作用下，即將關斷的開關元件上的電壓不能發(fā)生突變，因此開關元件可以認為在零電壓的情況下關斷。由于同一橋臂上下兩個脈沖之間的間隔很小，利用電感和結電容的諧振，使即將導通的開關元件的結電容放電，當結電容兩端的電壓為零時，反并聯二極管承受正向電壓而導通，從而為開關元件的零電壓導通創(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載范圍內實現零電壓導通。與上述開關過程類似，變壓器副邊的S3和S4也是利用各自的反并聯二極管的導通實現零電壓開通，S3和S4的開通主要是為減小反并聯二極管Ds3和Ds4反向恢復引起的損耗以及電磁干擾。以S3為例：反并聯二極管Ds3導通后，S3可以在零電壓的條件下開通，更為重要的是Ds3中的電流會逐漸減少至零，電流轉移到S3中，Ds3實現軟關斷(ZCS)，從而減少了Ds3關斷過程中反向恢復帶來的影響。由于這種拓撲結構的DC／DC變換器在變壓器兩側完全對稱，因此能量雙向流動時的軟開關條件相同。本文中的實驗結果是在負載為電阻的情況下得到的。如果負載為蓄電池等電源，仿真結果證明軟開關特性保持不變。

　　2 開關過程分析

　　以正向工作模式為例，一個完整的開關周期可分為12個開關過程，如圖3所示，to時刻前S1和S2導通。

　　過程1(to～t1)：to時刻，S1關斷。由于電容Cs1的作用，S1在零電壓(ZVS)下關斷。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，給Cs1充電，同時Cs2放電。

　　過程2(t1～t2)：t1時刻，S3關斷，由于Cs3的作用S3ZVS關斷。此時Cs3充電，Cs4放電。

　　過程3(t2～t3)：t2時刻，Cs2兩端的電壓降為零，Ds2正偏導通，為S2的導通創(chuàng)造了ZVS條件。此時，流經電感L1的電流iL1增長而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時刻，Cs4兩端的電壓降至零，Ds4導通，此時S4可在ZVS條件下導通。此時，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時刻，電感電流iL1大于變壓器原邊電流ip，S2ZVS導通，Ds2零電流(ZCS)關斷。當ip(或iL2)降至零時，電流方向改變。

　　過程6(t5～t6)：t5時刻，iL2大于變壓器副邊電流is，S4ZVS導通，Ds4ZCS關斷。

　　過程7(t6～t7)：t6時刻，S2在Cs2的作用下ZVS關斷，Cs2開始充電而Cs1放電。

　　過程8(t7～t8)：t7時刻，S4ZVS關斷。Cs4充電，Cs3放電。

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

　　過程1O(t9～t10)：t9時刻，Cs3兩端電壓降為零，Ds3導通，此時S3可以實現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。當iL2(或ip)增至零時，電流再次改變方向。

　　過程l1(t10～t11)：t10時刻，變壓器原邊電流ip大于電感電流iL1,S1ZVS開通，DslZCS關斷。

　　過程12(t11～t12)：t11時刻，副邊電