蔣 瑋 胡仁杰 黃慧春

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096）

1 引言

雙向DC-DC變換器因其在新能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。作為連接兩個(gè)不同電壓等級(jí)的中間環(huán)節(jié)，雙向DC-DC變換器可以方便的進(jìn)行能量的調(diào)節(jié)和管理。移相控制對(duì)稱半橋變換器[1,3]，作為一種新型雙向DC-DC變換器，它在同樣電壓等級(jí)下，器件數(shù)量比全橋變換器減少一半，在兩個(gè)工作方向上都可以不使用附加電路實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，并可通過(guò)附加電路實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)[5]，且因?yàn)檩斎攵思尤肓松龎弘姼?，其升壓比更高，控制更靈活。

文獻(xiàn)[1-2]對(duì)移相控制對(duì)稱半橋變換器的工作原理進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[3]給出了移相控制對(duì)稱半橋變換器實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)所需的升壓電感、變壓器漏感和濾波電感的選擇依據(jù)，但是未對(duì)諧振過(guò)程進(jìn)行分析。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，移相控制對(duì)稱半橋變換器輸入端升壓電感、變壓器漏感和濾波電感往往是根據(jù)對(duì)紋波和功率的要求而選定的，無(wú)法完全以滿足軟開關(guān)條件作為設(shè)計(jì)依據(jù)。較為實(shí)用的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在電感值確定后，分析其和寄生電容的諧振過(guò)程是否能滿足軟開關(guān)要求，如果不能滿足，則可以通過(guò)外并電容或串接小電感的方式，對(duì)諧振電路的特征阻抗進(jìn)行微調(diào)，但是這就要求有可供分析的諧振參數(shù)條件關(guān)系。目前對(duì)于軟開關(guān)條件的研究，多是從諧振器件能量角度[11,19]，或是針對(duì)輔助電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析[12-13]，且多見于全橋移相變換器[7-9]。本文在分析移相控制對(duì)稱半橋變換器工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地通過(guò)對(duì)一、二次開關(guān)過(guò)程中的等效電路進(jìn)行分析，指出了電路寄生參數(shù)對(duì)軟開關(guān)過(guò)程的影響，推導(dǎo)出滿足零電壓開關(guān)條件的諧振參數(shù)取值條件，可作為變換器設(shè)計(jì)的參考。并以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一500W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了根據(jù)該條件設(shè)計(jì)出的變換器可以在設(shè)計(jì)功率等級(jí)上完成軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗并提高變換器的工作效率。

2 變換器工作原理

移相控制對(duì)稱半橋變換器如圖1所示，高壓變壓器T左側(cè)為低壓側(cè)Vl，右側(cè)為高壓側(cè)Vh。低壓側(cè)輸入端有一個(gè)大電感Li，起到平波和存儲(chǔ)能量的作用，輸入電流為il。功率開關(guān)器件Q1和Q2以互補(bǔ)的方式交替導(dǎo)通，Q3和Q4以互補(bǔ)的方式交替導(dǎo)通，兩個(gè)半橋?qū)ń侵g有一個(gè)相位差φ1，在變壓器漏感Ls兩端形成兩個(gè)方波電壓vp和vs。通過(guò)調(diào)節(jié)φ1的超前與滯后，以及φ1的大小，就可以決定能量是由低壓側(cè)流向高壓側(cè)（正向工作），還是從高壓側(cè)流向低壓側(cè)（反向工作），這就是移相控制方式。變壓器T起到隔離和電壓匹配的作用，變壓器漏感Ls在兩個(gè)半橋之間通過(guò)漏感電流ip（一次）及is（二次）傳遞能量。C1～C4是分壓電容，在足夠大的情況下，可以認(rèn)為其電壓V1～V4不變。開關(guān)器件Q1～Q4均反向并聯(lián)二極管VD1～VD4，Cr1～Cr4是開關(guān)器件的結(jié)電容，當(dāng)結(jié)電容和變壓器漏感發(fā)生諧振時(shí)，結(jié)電容放電至電壓為零，此時(shí)開關(guān)器件反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通，從而為開關(guān)器件的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造條件。

圖1 移相控制對(duì)稱半橋變換器Fig.1 Symmetry half-bridge converter with phase-shifted control

移相控制對(duì)稱半橋變換器升壓模式下共分為t0～t12的12個(gè)工作模態(tài)[2]，其開關(guān)時(shí)序及波形如圖2所示，這12個(gè)模態(tài)的工作過(guò)程如下。

圖2 Boost模式下開關(guān)時(shí)刻及電壓電流波形Fig.2 Theoretical switch points and voltage and current waveforms under boost mode

模態(tài)1 (t0～t1)：電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)，Q1和VD3導(dǎo)通。

模態(tài)2 (t1～t2)：在t1時(shí)刻，Q1關(guān)斷，Cr1、Cr2和Ls發(fā)生諧振，結(jié)電容Cr2電壓vcr2從V1+V2開始下降，vp也開始從V1下降。

模態(tài)3 (t2～t3)：在t2時(shí)刻，vcr2由正變負(fù)，VD2因正偏而導(dǎo)通，從這段時(shí)間開始，Q2可以零電壓開通。

模態(tài)4 (t3～t4)：從t3時(shí)刻起，變壓器漏感電流ip開始小于輸入電流il，所以Q2從VD2換流，在t4時(shí)刻，ip下降到0，VD3仍然導(dǎo)通。

模態(tài)5 (t4～t5)：ip由正變負(fù)，因此，電流從VD3向Q3換流，Q3零電壓開通。

模態(tài)6 (t5～t6)：在t5時(shí)刻，Q3關(guān)閉，Cr3、Cr4和Ls發(fā)生諧振，分別開始充電和放電。

模態(tài)7 (t6～t7)：在t6時(shí)刻，結(jié)電容Cr4電壓vcr4由正變負(fù)，VD4因正偏而導(dǎo)通，從這段時(shí)間開始，Q4可以零電壓開通。

模態(tài)8 (t7～t8)：在t7時(shí)刻，Q2關(guān)閉，Cr1、Cr2和Ls再次發(fā)生諧振，這時(shí)結(jié)電容Cr1電壓vcr1從V1+V2開始下降，vp從-V2開始上升。

模態(tài)9 (t8～t9)：在t8時(shí)刻，vcr1由正變負(fù)，VD1因正偏而導(dǎo)通，ip繼續(xù)上升直到在t9時(shí)刻等于0，從這段時(shí)間開始，Q1可以零電壓開通。

模態(tài)10 (t9～t10)：ip從t9時(shí)刻開始由負(fù)變正并繼續(xù)上升，因此，電流從VD4向Q4換流，Q4零電壓開通。

模態(tài)11 (t10～t11)：ip開始大于il，Q1零電壓開通。

模態(tài)12 (t11～t12)：在t11時(shí)刻，Q4關(guān)斷，Cr4、Cr3和分別開始充電和放電。在t12時(shí)刻，結(jié)電容Cr3電壓vcr3由正變負(fù)，VD3因正偏而導(dǎo)通，至此，一個(gè)完整的工作周期結(jié)束。

3 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

通過(guò)變換器工作過(guò)程可知，移相控制對(duì)稱半橋變換器實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching,ZVS）的關(guān)鍵，是在開關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中，開關(guān)器件并聯(lián)電容與變壓器漏感Ls發(fā)生諧振，并在對(duì)應(yīng)橋臂開通之前，其并聯(lián)電容電壓下降至0，使反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通。因此，通過(guò)分析諧振過(guò)程，就可以推導(dǎo)出移相控制對(duì)稱半橋變換器的軟開關(guān)條件。

Boost模式下發(fā)生諧振過(guò)程的工作模態(tài)分別是模態(tài)2、模態(tài)5、模態(tài)8和模態(tài)12，其中模態(tài)2中的t1時(shí)刻Q1關(guān)斷，繼而Q2零電壓開通；模態(tài)5中的t5時(shí)刻Q3關(guān)斷，繼而Q4零電壓開通；模態(tài)8中的t7時(shí)刻Q2關(guān)斷，繼而Q1零電壓開通；模態(tài)12中的t11時(shí)刻Q4關(guān)斷，繼而Q3零電壓開通，這四個(gè)模態(tài)的等效電路如圖3所示。

圖3 發(fā)生諧振過(guò)程的工作模態(tài)Fig.3 Equivalent circuits when quasi resonances happen

下面以t1和t5時(shí)刻為例，分析一二次零電壓開通所需的諧振器件條件，t7和t12時(shí)刻的條件與之類似。假設(shè)：①升壓電感Li足夠大，其上電流紋波很小，可將輸入看成一個(gè)恒流源Ii；②變壓器兩側(cè)的均壓電容C1～C4足夠大，使其上的電壓V1～V4保持恒定，可以將其看做恒壓源。

t1和t5時(shí)刻變換器的等效電路如圖4所示，Cr1～Cr4為Q1～Q4的寄生電容，i1～i4為Cr1～Cr4上通過(guò)的電流，vcr1～vcr4為Cr1～Cr4上的電壓，ip為變壓器漏感電流，Ls為變壓器等效漏感，Ls以及V3、V4都折算到變壓器一次側(cè)。

圖4 t1和t5時(shí)刻等效電路圖Fig.4 Equivalent circuits at t1 and t5

因?yàn)殚_關(guān)器件參數(shù)的對(duì)稱性，設(shè)Cr1=Cr2=Cr，由圖4的等效電路可以分別獲得t1和t5時(shí)刻的狀態(tài)方程：

由式（1）、式（2）可獲得相應(yīng)的二階微分方程，分別代入t1和t5時(shí)刻的初始條件ip(t1)、ip(t5)、vcr2(t1)和vcr4(t5)，可以獲得模態(tài)2和模態(tài)6過(guò)程中開關(guān)器件寄生電容vcr2和vcr4的表達(dá)式：

由式（3）可以分析在模態(tài)2中諧振電容電壓vcr2隨時(shí)間的變化關(guān)系。我們?nèi)菀卓闯?，在ωr(t-t1)=π/2時(shí)刻，vcr2達(dá)到最小值vcr2min=V2+V3-Zr(Ip-Ii)，因此，Q2能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS的關(guān)鍵，就是在該模態(tài)結(jié)束前，vcr2能夠下降到0，從而使二極管VD2導(dǎo)通，

在一定的輸出功率下，Ip1、Ii、V2、V3都可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)條件獲得[2]，只要選擇合適的外接電容和電感參數(shù)，使得

同理，在模態(tài)4中，由式（4）可得Q4零電壓開通的條件，是在時(shí)，vcr4＜0，即特征阻抗值滿足以下條件：

從式（6）、式（7）可以看出，在變壓器漏感Ls一定的情況下，開關(guān)器件寄生電容較小，可以加快諧振過(guò)程，使并聯(lián)電容在諧振模態(tài)結(jié)束前其兩端電壓下降至0，為開關(guān)器件提供ZVS條件。但是，開關(guān)器件并聯(lián)電容的也不能過(guò)小，還是以t1時(shí)刻為例，在諧振完成后，Q2的反并二極管VD2導(dǎo)通，此時(shí)有

rcr1早下降到0，ip開始下降，當(dāng)ip下降到ip＜Ii時(shí)，Q2還沒有開通，則Cr1將重新開始充電，Q2端電壓將大于0，失去ZVS的條件。而諧振是在死區(qū)Q1和Q2開關(guān)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間完成的，因此為了避免這種情況的發(fā)生，一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在開關(guān)器件上并聯(lián)滿足式（6）、式（7）確定的特征阻抗要求的容值上限1/2左右的電容幫助諧振。

同時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮死區(qū)時(shí)間Td，使其既能使?jié)M足vcr2、vcr4達(dá)到最小值需要的時(shí)間，又不至于過(guò)大使寄生電容重新開始充電，一般來(lái)說(shuō)，取為諧振周期。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述諧振器件選擇條件的有效性，設(shè)計(jì)了500W移相控制對(duì)稱半橋變換器樣機(jī)，圖5所示的是樣機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用電壓電流雙環(huán)控制，所產(chǎn)生的電壓控制信號(hào)經(jīng)相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為移相角，占空比D恒定。樣機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如下：

表 變換器樣機(jī)參數(shù)Tab.Parameters of the prototype

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of the system

Q1、Q2選用了MOSFET FQA160N08，Q3、Q4選用了MOSFET IRFP460，其輸入電容值均為5nF左右，電容值過(guò)小。因此選取了2組電容并聯(lián)在開關(guān)器件上，第一組為20nF，第二組為100nF，第二組電容值超過(guò)了并聯(lián)諧振電容值的上限，不滿足軟開關(guān)要求。

使用Rigol品牌的DS1000E型號(hào)數(shù)字示波器采集實(shí)驗(yàn)波形，圖6為變壓器漏感電流波形，圖7為Q1、Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。兩組的Q2端電壓和Q2門極信號(hào)波形如圖8所示，其中CH1顯示的是Q2的門極信號(hào)vg2，CH2是Q2的漏源極電壓vce2。

圖6 變壓器漏感電流波形Fig.6 Current waveform of the transformer’s leak inductor

圖7 Q1、Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形Fig.7 Drive signal of Q1 and Q3

圖8 不同諧振參數(shù)下的Q2實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of Q2 with different resonance elements’ parameters

如圖8a所示，vce2在門極信號(hào)到來(lái)之前已經(jīng)下降到0，而圖8b中，因諧振電容過(guò)大，vce2到0之前，門極信號(hào)已經(jīng)到來(lái)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，以本文推導(dǎo)的條件為依據(jù)，選擇不同的開關(guān)器件并聯(lián)電容參數(shù)，可以改變諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件反向并聯(lián)二極管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓開通。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了移相控制對(duì)稱半橋變換器的工作原理，指出了其開關(guān)元件軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)是依靠變壓器漏感和開關(guān)元件并聯(lián)電容發(fā)生的準(zhǔn)諧振過(guò)程。分析了準(zhǔn)諧振過(guò)程中不同狀態(tài)的變換器等效電路，并推導(dǎo)出了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)所需的變換器開關(guān)元件及變壓器寄生參數(shù)應(yīng)滿足的條件，以及對(duì)死區(qū)時(shí)間的要求。以這些條件為依據(jù)，選取了相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行了變換器樣機(jī)設(shè)計(jì)并完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明移相控制對(duì)稱半橋變換器無(wú)需附加元件即可以通過(guò)準(zhǔn)諧振實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件的軟開關(guān)，本文推導(dǎo)出的結(jié)論可以作為選取參與準(zhǔn)諧振器件參數(shù)的依據(jù)，簡(jiǎn)化變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

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