黃亞峰，吳光琴，嚴(yán)干貴，韓 瑜，李 丹，何 威

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東營供電公司，山東 東營 257000)

近年來，DC-DC變換器發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于等離子體顯示面板(PDP)、光伏太陽能系統(tǒng)和燃料電池等領(lǐng)域，在這些典型應(yīng)用場(chǎng)景中，需要其滿足高功率密度、高效率等條件[1].其中在模塊集成式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，變換器連接到單個(gè)光伏面板，并提取最大功率向電網(wǎng)供電，由于單塊面板輸出電壓較低，因此，每個(gè)模塊的變換器也需要具備高的電壓增益[2-7].

隨著對(duì)變換器高功率密度和小尺寸的要求，開關(guān)頻率增加，器件的通斷損耗隨之增大，為減小損耗，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別提出了帶有有源鉗位電路的正激和反激變換器，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本低，且可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，降低了開關(guān)損耗，但其僅在半個(gè)周期內(nèi)提供輸出功率傳輸，功率密度降低，效率降低.與之相比，正反激組合式變換器更具吸引力，無論其主開關(guān)處于導(dǎo)通或是關(guān)斷狀態(tài)，都能夠通過變壓器向負(fù)載提供所需的能量，提高了變換器效率[10-12].傳統(tǒng)的正反激式電路，其輸出側(cè)多采用并聯(lián)連接，廣泛應(yīng)用于輸出電壓較低的場(chǎng)合[13-17].之后，為了解決電壓增益較低問題，文獻(xiàn)[18]提出了一種串聯(lián)正反激三繞組變換器，該拓?fù)漭敵鰝?cè)采用了串聯(lián)連接，可實(shí)現(xiàn)高的電壓增益.但是，由于初級(jí)側(cè)開關(guān)的硬切換，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要側(cè)重于中低壓小功率應(yīng)用，故無法直接應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合[19].文獻(xiàn)[20]提出了電壓鉗位準(zhǔn)諧振正激變換器，該變換器利用LC諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，因此開關(guān)應(yīng)力顯著降低，且利用復(fù)位繞組復(fù)位了變壓器的勵(lì)磁通量，減小了由電壓尖峰引起的傳導(dǎo)損耗.但該變換器僅在半個(gè)周期內(nèi)向負(fù)載傳遞能量，轉(zhuǎn)換效率較低.為此，文獻(xiàn)[21]提出了正反激三繞組變換器，此變換器在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)都可向負(fù)載傳遞能量，提高了轉(zhuǎn)換效率，且利用LC諧振實(shí)現(xiàn)了二極管D1的零電流關(guān)斷，但二極管D2無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，開關(guān)損耗有待進(jìn)一步改善.而且由于變壓器漏感的存在，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在前級(jí)開關(guān)管關(guān)斷瞬間存在電壓驟增的問題，嚴(yán)重影響開關(guān)管使用壽命.此外，漏感中的能量若不能回收再利用，會(huì)影響微逆變器的整體效率[22].

基于文獻(xiàn)[21]中的方案，本文提出了改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器，在保留原有方案優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了開關(guān)管的通斷損耗.該變換器采取正反激交替運(yùn)行的工作模式，在整個(gè)工作周期內(nèi)都可向負(fù)載傳遞能量，提高了變換器的轉(zhuǎn)換效率.初級(jí)側(cè)采用有源鉗位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通(ZVS)，減小了開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，并完成變壓器磁芯復(fù)位.次級(jí)側(cè)通過漏感Llk與電容Cr、C2之間的諧振，實(shí)現(xiàn)了二極管D1和D2的零電流關(guān)斷(ZCS)，消除了反向恢復(fù)問題，降低開關(guān)損耗.本文對(duì)其工作模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了主功率電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后搭建了仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本文理論分析與設(shè)計(jì)的可行性.

1 改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提出的改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中正激回路由變壓器漏感Llk、二極管D1和諧振電容Cr組成，反激回路由漏感Llk、二極管D2和輸出電容C2組成.其中變比n1=ns/np，n2=nt/np，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，Ro為負(fù)載電阻.

為分析改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器的工作原理，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)作如下假設(shè)：

(1)主開關(guān)S1和輔助開關(guān)S2由互補(bǔ)PWM控制，S1的占空比為D.

(2)功率開關(guān)管、反并聯(lián)二極管及體電容均為理想元件.

(3)三繞組變壓器由理想變壓器建模，勵(lì)磁電感Lm與初級(jí)繞組Np并聯(lián)，漏感Llk與初級(jí)繞組Np串聯(lián).

穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)周期可分為8個(gè)工作模式，其主要波形圖如圖2所示，等效電路如圖3所示.

1.2 工作原理

(1)模態(tài)1[t0，t1]：在t0時(shí)刻，輔助開關(guān)管S2斷開，一次側(cè)電流ip為S1體電容CS1放電，同時(shí)為S2的體電容CS2充電.由于開關(guān)管的電容值很小，所以此模態(tài)運(yùn)行時(shí)間非常短，忽略其電流影響，ip和im在此工作模態(tài)下保持恒定.此區(qū)間內(nèi)，二次側(cè)諧振電容Cr向負(fù)載放電.

(2)模態(tài)2[t1，t2] ：在t1時(shí)刻，電容Cs1放電完成，S1兩端電壓降為0，反并聯(lián)二極管DS1導(dǎo)通，在t1時(shí)刻之后導(dǎo)通S1，即實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1的零電壓開通(ZVS).此模態(tài)下，能量通過正激回路傳遞到輸出端，ip為im與is(二次側(cè)電流折算到一次側(cè)的值)之和.如圖2所示，S1導(dǎo)通時(shí)，勵(lì)磁電流im滿足

(1)

(2)

同時(shí)，漏感Llk與電容Cr發(fā)生諧振，得此模態(tài)下的狀態(tài)方程為

(3)

(4)

(5)

公式中：VCr為諧振電容Cr上的電壓.

諧振回路的諧振角頻率及阻抗為

(6)

(7)

一次側(cè)電流ip可表示為

(8)

(3)模態(tài)3[t2，t3]：在t2時(shí)刻，一次側(cè)電流ip由負(fù)變正，漏感Llk與電容Cr類似于模式二繼續(xù)諧振.

(4)模態(tài)4[t3，t4]：在t3時(shí)刻，Llk和Cr之間的諧振結(jié)束，二極管D1維持零電流導(dǎo)通.此區(qū)間內(nèi)，勵(lì)磁電流im繼續(xù)線性增加.存儲(chǔ)在諧振電容器Cr中的能量傳遞到輸出端為

(9)

(5)模態(tài)5[t4，t5]：在t4時(shí)刻，主開關(guān)管S1關(guān)斷，二極管D1實(shí)現(xiàn)ZCS，消除了二極管的反向恢復(fù)問題.正向的一次側(cè)電流為S1的體電容Cs1充電，同時(shí)為S2的體電容Cs2放電，由于Cs1和Cs2電容值很小，此間隔忽略不計(jì)，可認(rèn)為一次側(cè)電流ip與勵(lì)磁電流im相等，保持恒定.

(a)模態(tài)1[t0,t1](b)模態(tài)2[t1,t2](c)模態(tài)3[t2,t3](d)模態(tài)4[t3,t4](e)模態(tài)5[t4,t5](f)模態(tài)6[t5,t6](g)模態(tài)7[t6,t7](h)模態(tài)8[t7,t8]圖3 工作模態(tài)等效電路圖

(6)模態(tài)6[t5，t6]：在t5時(shí)刻，電容Cs2放電完成，S2兩端電壓降為0，反并聯(lián)二極管DS2導(dǎo)通，在t5時(shí)刻后導(dǎo)通S2，實(shí)現(xiàn)S2的ZVS.此區(qū)間內(nèi)，能量通過反激回路傳遞到輸出端，勵(lì)磁電流im滿足

(10)

(11)

(12)

同時(shí)，漏感Llk與電容C2發(fā)生諧振，得此模態(tài)下的狀態(tài)方程為

(13)

(14)

諧振回路的諧振角頻率及阻抗為：

(15)

(16)

電流ip可表示為

(17)

(7)模態(tài)7[t6，t7]：在t6時(shí)刻，一次側(cè)電流ip由正變負(fù)，漏感Llk與電容C2類似于模式六繼續(xù)諧振.

(8)模態(tài)8[t7，t8]：在t7時(shí)刻，Llk和C2之間的諧振結(jié)束，二極管D2維持零電流導(dǎo)通.此區(qū)間內(nèi)，一次側(cè)電流ip與勵(lì)磁電流im相等，im線性減小.此模式結(jié)束時(shí)，二極管D2實(shí)現(xiàn)ZCS，消除了二極管的反向恢復(fù)問題.

2 主功率電路參數(shù)設(shè)計(jì)

依照上述變換器工作模態(tài)的分析，對(duì)主功率電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì).通過勵(lì)磁電感及鉗位電容的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的ZVS及變壓器磁芯復(fù)位，降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，提高變壓器利用率；通過諧振電容的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)二極管D1、D2的ZCS，消除反向恢復(fù)問題，降低開關(guān)損耗.

2.1 勵(lì)磁電感設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS，要求在t1時(shí)刻電流is1為負(fù)向，由勵(lì)磁電流平均值im=(n1-n2)Io可得

(18)

因此勵(lì)磁電感設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：

(19)

由上式可得，不同占空比實(shí)現(xiàn)開關(guān)管S1零電壓導(dǎo)通的臨界勵(lì)磁電感值，如圖4所示.

2.2 諧振電容設(shè)計(jì)

在主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，漏感Llk與Cr發(fā)生諧振，為實(shí)現(xiàn)二極管D1的ZCS，其諧振頻率應(yīng)足夠大，使諧振周期小于主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，即

Tr≤DTs，

(20)

(21)

(22)

(23)

由公式(20)～公式(23)可得，不同占空比及漏感實(shí)現(xiàn)二極管D1零電流關(guān)斷的臨界諧振電容值，如圖5(a)所示.

在主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏感Llk與C2發(fā)生諧振，為實(shí)現(xiàn)二極管D2的ZCS，其諧振頻率應(yīng)足夠大，使諧振周期小于主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，即

(24)

(25)

(26)

(27)

由公式(24)～公式(27)可得，不同占空比及漏感實(shí)現(xiàn)二極管D2零電流關(guān)斷的臨界諧振電容值，如圖5(b)所示.

(a)諧振電容Cr臨界值(b)諧振電容C2臨界值圖5 零電流關(guān)斷的臨界諧振電容值

在二極管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的情況下，諧振電容、占空比及漏感取值如上圖所示，當(dāng)占空比取值一定時(shí)，漏感與諧振電容取值關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中其值的選取應(yīng)折衷考慮.

2.3 鉗位電容設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)有源鉗位功能，需要對(duì)鉗位電容進(jìn)行設(shè)計(jì).使勵(lì)磁電感上存儲(chǔ)的能量Em大于鉗位電容上存儲(chǔ)的能量ECc，即

Em≥ECc

.

(28)

CC與Lm之間存在諧振，功率管S1的關(guān)斷時(shí)間應(yīng)小于其諧振周期的一半，即：

(29)

(30)

由公式(29)、(30)得：

(31)

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證理論分析與設(shè)計(jì)的可行性，搭建了改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器仿真模型及實(shí)驗(yàn)平臺(tái).設(shè)定其輸入電壓Vin=50V，開關(guān)頻率 fs=33KHz，輸出電壓和輸出功率分別為Vo=380V，Po=400W，為實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，勵(lì)磁電感和鉗位電容需滿足公式(19)、公式(31)，本文取Lm=40μH，CC=10μF；為滿足二極管D1和D2的零電流關(guān)斷，根據(jù)公式(23)、公式(27)，取Cr=0.47μF，C2=2.2μF.

3.1 仿真驗(yàn)證

基于PSIM搭建仿真模型如圖6所示，仿真和實(shí)驗(yàn)所需具體參數(shù)如表1所示.

表1 三繞組DC-DC變換器主要參數(shù)

圖7為文獻(xiàn)[21]所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一次側(cè)功率開關(guān)管的仿真波形，圖7中Vs1為開關(guān)管的電壓，ip為流經(jīng)開關(guān)管的電流，從圖7中可以看出，在一次側(cè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感的存在，開關(guān)管兩端所承受的電壓會(huì)瞬時(shí)驟增，影響功率開關(guān)管的使用壽命.且若漏感中存儲(chǔ)的能量不能回收再利用，會(huì)降低變換器整體效率.

本文所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一次側(cè)主開關(guān)管S1的仿真波形如圖8(a)所示，圖中VS1為S1的電壓，iS1為流經(jīng)S1的電流，從圖中可以看出S1在電壓為零的情況下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通(ZVS)，且有效抑制了主開關(guān)管關(guān)斷瞬間的電壓尖峰.圖8(b)為一次側(cè)輔助開關(guān)管S2的仿真波形，圖中VS2為S2的電壓，iS2流經(jīng)為S2的電流，從圖中可以看出S2在電壓為零的情況下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通(ZVS).

(a) 主開關(guān)S1仿真波形(b) 輔助開關(guān)S2仿真波形圖8 功率開關(guān)管電壓、電流仿真波形

(a)輸出二極管D1仿真波形(b)輸出二極管D2仿真波形圖9 輸出二極管電壓、電流仿真波形

變換器二次側(cè)輸出二極管D1的仿真波形如圖9(a)所示，圖中Vd1為D1的電壓，id1為流經(jīng)D1的電流，從圖中可以看出D1在電流為零的情況下關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷(ZCS).二極管D2的仿真波形如圖9(b)所示，圖中Vd2為D2的電壓，id2為流經(jīng)D2的電流，從圖中可以看出D2在電流為零的情況下關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷(ZCS).

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了400W的改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所得主要波形如圖10、圖11所示.

(a)主開關(guān)S1實(shí)驗(yàn)波形(b)輔助開關(guān)S2實(shí)驗(yàn)波形圖10 功率開關(guān)管電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

(a)輸出二極管D1實(shí)驗(yàn)波形(b)輸出二極管D2實(shí)驗(yàn)波形圖11 輸出二極管電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

DC-DC變換器功率開關(guān)管S1、S2的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示，從圖中可以看出S1、S2均在電壓為零的情況下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通(ZVS)，且抑制了S1關(guān)斷瞬間的電壓尖峰，降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力.DC-DC變換器輸出二極管D1、D2的實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示，從圖中可以看出D1、D2均在電流為零的情況下關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷(ZCS)，降低了開關(guān)損耗.

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了改進(jìn)型三繞組諧振升壓變換器的工作原理，給出了主功率電路中參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并搭建了仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái).通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，一次側(cè)采用有源鉗位結(jié)構(gòu)，抑制了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，有利于選擇低耐壓、性能更優(yōu)越的開關(guān)器件，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率；二次側(cè)采用諧振軟開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二極管D1和D2的零電流關(guān)斷，消除了反向恢復(fù)問題，降低開關(guān)損耗，提高了變換器整體效率.