劉隆華　黃洪全　黃啟哲　李民強　盧紹成

（1. 廣西電網(wǎng)有限責任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2. 廣西大學電氣工程學院，南寧 530004）

帶回饋變壓器的新穎軟開關推挽變換器

劉隆華1黃洪全2黃啟哲1李民強1盧紹成1

（1. 廣西電網(wǎng)有限責任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2. 廣西大學電氣工程學院，南寧 530004）

針對推挽變換器難于實現(xiàn)軟開關的問題，提出了一種新穎的帶回饋變壓器的軟開關輔助電路，使兩個推挽功率開關管實現(xiàn)軟開通和軟關斷。分析了電路的工作原理并推導出電路參數(shù)的計算公式。當回饋饋變壓器的升壓比和勵磁電感滿足設計條件時，可避免回饋變壓器進入磁飽和狀態(tài)。研制的實驗樣機投入實際應用，驗證了電路和分析方法的正確性。

推挽變換器；軟開關；回饋變壓器

推挽變換器具有功率開關器件少、驅(qū)動電路簡單、電壓利用率高、輸入輸出隔離、變壓器利用率高、電壓增益大等特點［1］，在低電壓輸入高電壓輸出的應用中具有顯著的優(yōu)勢［2-5］。離線式配網(wǎng)故障定位儀要求在低壓直流供電的情況下，產(chǎn)生數(shù)萬伏的高壓直流信號，用于重新?lián)舸┕收宵c，為故障定位創(chuàng)造條件［6］，采用推挽變換器是較合理的方案。

推挽電路的缺點也很突出。功率管關斷時，變壓器漏感電流沒有續(xù)流通道，關斷尖峰電壓高，難于實現(xiàn)軟開關。為克服這一缺點，研究者提出了許多改進方案。一種方案是在功率開關管上并接電容器，在主變壓器副邊添加諧振單元，構成諧振型推挽變換器，實現(xiàn)軟開關。這種方案增加了功率管開通時電流峰值過高的風險。當輸出電壓很高、負載變化范圍很大時，主變壓器副邊繞組分布參數(shù)對諧振參數(shù)的影響較大。另一種方案是采用推挽正激變換器，兩個功率開關管通過電容器串接起來，解決了變壓器漏感電流續(xù)流的問題。但其驅(qū)動電路變得復雜。由于電路對稱性消失，兩個功率開關管的導通時間難于保持平衡，偏磁問題比較嚴重，需要采用較復雜的偏磁抑制方法。本文提出了一種帶回饋變壓器的軟開關輔助電路，無需改變主電路結構和控制方式，不僅能抑制尖峰電壓，還能使兩個功率開關管實現(xiàn)軟開通和軟關斷。將研制的軟開關推挽變換器應用于10kV配網(wǎng)接地故障定位儀，取得了良好的效果。

1　新型軟開關推挽變換器原理與分析

圖1是帶回饋變壓器的軟開關推挽變換器電路原理圖。功率開關管VT1、VT2、主變壓器T1等元件構成推挽變換器主電路。電容C1、回饋變壓器T2、回饋電感L1和二極管D1、D3組成功率開關管VT1的軟開關輔助電路。電容C2、回饋變壓器T3、回饋電感L2和二極管D2、D4組成功率開關管VT2的軟開關輔助電路。

圖1　軟開關推挽變換器原理

推挽變換器的兩個功率管及其軟開關輔助電路是完全對稱的，僅以VT1及其軟開關輔助電路為例分析電路的工作原理。在一個PWM周期內(nèi)，軟開關輔助電路的工作過程可分為4個狀態(tài)，如圖2所示。電路各點的仿真波形如圖3所示。

圖2　軟開關推挽電路工作狀態(tài)

圖3　軟開關推挽電路仿真波形

狀態(tài)1：VT1由導通轉(zhuǎn)為關斷，VT2保持關斷。T1的1號繞組、VCC、C1和D1組成漏感電流續(xù)流回路。漏感電流能量轉(zhuǎn)移到C1，電容電壓上升。由于C1的初始電壓為零，當VT1的關斷速度高于C1電壓上升速度時，在VT1關斷的過程中，其承受的電壓近似為零，實現(xiàn)了軟關斷。如果狀態(tài)1持續(xù)的時間足夠長，VCC和漏感電流的共同作用，使C1的最大充電電壓高于2VCC。

狀態(tài)2：VT1保持關斷，VT2由關斷轉(zhuǎn)為導通。T1的2號繞組端電壓下降，1號繞組端電壓上升到2VCC。如果在上一個狀態(tài)結束時，變壓器漏感能量還沒有釋放完，變壓器漏感能量將繼續(xù)對C1充電。漏感能量釋放完后，C1上的電壓高于2VCC，轉(zhuǎn)而開始放電。在狀態(tài)2期間，電容電壓先升后降，如果狀態(tài)2持續(xù)時間足夠長，C1的穩(wěn)態(tài)電壓為2VCC。

狀態(tài)3：VT1保持關斷，VT2由導通轉(zhuǎn)為關斷。T1原邊兩個繞組的端電壓穩(wěn)態(tài)值為VCC。電容C1在上一狀態(tài)結束時的電壓約為2VCC，C1將通過T1的1號繞組、VCC、回饋變壓器T2原邊繞組放電。回饋變壓器T2副邊繞組的回饋電流開始上升，向電源VCC回饋能量。如果狀態(tài)3持續(xù)時間足夠長，C1放電終點值將達到VCC。

狀態(tài)4：VT1由關斷轉(zhuǎn)為導通，VT2保持關斷。C1上的電壓通過VT1和T2原邊繞組放電，為下一個狀態(tài)吸收漏感能量、抑制尖峰電壓做好準備。T2副邊繞組的回饋電流iL1明顯上升，隨后向負載釋放能量而衰減。在VT1開通的瞬間，其等效負載相當于初始電流為零的電感負載，電流上升速度慢而電壓下降速度快。在VT1開通的過程中，VT1管兩端承受的電壓近似為零，實現(xiàn)了功率管的軟開通。如果狀態(tài)4持續(xù)時間足夠長，且電路參數(shù)選擇適當，C1放電終點值為零。

2　軟開關輔助電路參數(shù)的計算

在軟開關輔助電路中，回饋變壓器的參數(shù)設計最為關鍵?；仞佔儔浩鞯脑吅透边吚@組均工作在直流狀態(tài)，為了避免繞組電流過大導致回饋變壓器飽和，同時，為了保證功率開關管的軟開通，必須選擇電路參數(shù)，使回饋變壓器原邊和副邊電流都能及時回零。設回饋變壓器原邊與副邊的匝數(shù)比為1∶k，k＞＞1，勵磁電感為LM，LM＞＞L1/k2。C1放電時，回饋變壓器輸出電壓遠大于VCC，可忽略VCC對C1放電過程的影響，又由于C1的放電速度遠高于勵磁電流和回饋電流的衰減速度，可將能量回饋過程分為C1放電和電感電流衰減兩個階段。

設C1放電時，勵磁電感和回饋電感的初始電流為零，則由能量守恒得

式中，VC0是C1的初始電壓，通常在VCC至2VCC之間。IC為C1放電完畢時的最大電流。根據(jù)并聯(lián)電感的分流關系可得回饋電感的電流最大值為

勵磁電感電流最大值為

C1放電完畢后，勵磁電流iLM通過二極管D1形成回路并逐漸衰減。設二極管正向?qū)妷簽閂D，忽略二極管導通電阻的影響，則勵磁電流的微分方程為

為避免勵磁電流不斷增加，勵磁電流在下一個C1放電時刻前回零。設TD為勵磁電流回零的時間，BD為回零時間與PWM周期T的比，可得

式中，BD=TD/T，0＜BD＜1。

同理，C1放電完畢后，回饋電流iL1開始向VCC或負載供電，電流逐漸衰減，忽略回饋變壓器原邊電壓的影響，其電流微分方程為

為保證功率開關管的軟導通，回饋電流iL1在下一個C1放電時刻前回零。設TH為iL1由最大值回零的時間，BH為回零時間與PWM周期T的比，可得

式中，BH=TH/T，0＜BH＜1。根據(jù)式（1）至式（5）可得

考慮最不利的情況，取VC0=2VCC，則式（7）可變?yōu)?/p>

式（6）給出了回饋變壓器升壓比的最小值，通常取BD=BH。式（8）給出了回饋電感最大值計算公式。由式（3）可知，k和LM越大，勵磁電流就越小，勵磁電流回零的時間也越短。

上述結論的物理意義也是明確的。當回饋變壓器的升壓比和勵磁電感足夠大，而回饋電感足夠小時，在一個PWM周期內(nèi)，大部分漏感能量被回饋到電源和負載?；仞佔儔浩髯陨砦栈騼Υ娴哪芰亢苄?，并很快被續(xù)流二極管全部消耗掉，勵磁電流回零。在能量吸收和回饋過程中，回饋變壓器不會因磁飽和而失效?；仞侂姼械娜≈祽跐M足式（8）的情況下，盡量取較大的值。若回饋電感太小，則能量回饋過程太快，功率開關管的導通電流將大幅增加。

3　實驗結果及分析

根據(jù)配網(wǎng)故障定位儀的工作條件，確定推挽變換器的輸入電源為蓄電池，電壓60V，最大輸出電壓14000V，最大輸出電流200mA。將研制的軟開關推挽高壓變換器投入使用，用電流和電壓傳感器測量電路的波形，結果如圖4所示。圖4（a）中電流波形接近于梯形波。因選用的回饋電感較小，電流在功率開關管導通時有一定的過沖。圖4（b）是功率開關管關斷時刻的波形圖，在電流下降的過程中，電壓很小，表明功率開關管是軟關斷。圖4（c）是功率開關管開通時刻的波形圖，在電流上升過程中，電壓很快下降接近于零，表明功率開關管是軟開通。

圖4　實測波形圖

4　結論

在推挽變換器中，用回饋變壓器組成軟開關輔助電路，可以將功率開關管關斷時的漏感能量回饋給電源和負載，并實現(xiàn)兩個功率開關管的軟開通和軟關斷。當回饋變壓器的升壓比和勵磁電感滿足設計條件時，其勵磁電流可在每個PWM周期內(nèi)歸零復位，避免磁飽和。軟開關的實現(xiàn)不依賴于諧振元件，對電路參數(shù)不敏感，對控制方式?jīng)]有特殊要求。電流波形接近梯形波，有利于降低功率開關管的電流有效值和峰值，適合在輸入電壓較低的高壓變換器中應用。

［1］ （美）Abraham I. Pressman， （美）Keith Billings，（美）Taylor Morey， et al. 開關電源設計［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2010.

［2］ 羅劼， 楊永飛， 陳建華， 等. 一種高性能車載直流電源設計［J］. 電力電子技術， 2011， 45（5）： 84-86.

［3］ 王贊， 肖嵐， 嚴仰光. 基于燃料電池的推挽正激變換器的控制研究［J］. 中國電機工程學報， 2007，27（33）： 82-86.

［4］ 袁義生， 龔昌為. 一種諧振型推挽式直流變換器［J］.電力自動化設備， 2012， 32（10）： 83-87， 93.

［5］ 姚志壘， 肖嵐， 黃勇， 等. 低整流電壓應力的推挽正激三電平變換器［J］. 電工技術學報， 2012， 27（9）：231-236， 241.

［6］ 張慧芬， 潘貞存， 桑在中. 基于注入法的小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法［J］. 電力系統(tǒng)自動化， 2004，28（3）： 64-66.

Novel Soft Switch Push-pull DC/DC Converter with Feedback Transformers

Liu Longhua1Huang Hongquan2Huang Qizhe1Li Minqiang1Lu Shaocheng1
（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd， Hechi， Guangxi 547000；2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004）

For the shortcomings of a traditional push-pull converter， a novel soft switch auxiliary circuit with feedback transformers， which assists the two power devices in push-pull converter to switch softly， is proposed. The operating principle is analyzed and a series of formulas to determine the circuit parameters are derived. When the turns ratio and the magnetizing inductance meet the design conditions，the feedback transformer can avoid entering the magnetic saturation. The soft switching push-pull DC/DC converter has been put into use， verifying the correctness of the circuit and the design method.

push-pull converter； soft switch； feedback transformer

中國南方電網(wǎng)公司科技開發(fā)項目（K-GX2014-047）

劉隆華（1985-），男，廣西河池人，碩士，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行。