趙君力

北京機電工程研究所，北京 100083

近年來，隔離型三端口變換器在新能源發(fā)電、混合動力汽車、燃料電池汽車以及儲能系統(tǒng)應用等需要同時連接和控制多個電源或者負載的場合中受到越來越廣泛的關(guān)注，是電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域研究和應用的熱點問題[1?4]。隔離型三端口變換器通過三繞組高頻變壓器進行能量的傳遞，具有電氣隔離、能夠自由匹配電壓等級等諸多優(yōu)點。通過合理的設(shè)計變壓器匝數(shù)比，隔離型三端口變換器可以實現(xiàn)在不同電壓等級之間的電能傳輸，并且可以實現(xiàn)各個端口全橋變換器的軟開關(guān)運行[5?7]。這對于提高功率變換器效率、降低損耗、提高功率密度是非常有益的。然而當端口電壓或者負載功率在比較寬的范圍變化時，會出現(xiàn)1 個或者2 個端口不能實現(xiàn)軟開關(guān)的情況，導致開關(guān)損耗增加[8?10]。因此在三端口變換器設(shè)計階段，通過理論分析可以準確地確定出在端口電壓和負載功率變化情況下的三端口變換器軟開關(guān)范圍，這是一件非常有意義的工作，有助于整個變換器系統(tǒng)效率和功率密度設(shè)計的優(yōu)化。本文通過分析隔離三端口變換器各端口與全橋變換器連接的變壓器繞組中的電流波形和全橋變換器橋臂中點電壓波形之間的關(guān)系，通過理論計算得出全橋變換器各開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)運行的條件，進而利用MATLAB 軟件形象地繪制在特定電氣參數(shù)條件下實現(xiàn)功率器件軟開關(guān)的范圍，并通過仿真和實際硬件電路實驗進行驗證。

1 拓撲結(jié)構(gòu)與軟開關(guān)分析

本文所研究的隔離型三端口變換器如圖1 所示。圖中端口1 為輸入電源端口(可以為新能源發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板等)。其全橋開關(guān)管為S1～S4，其中S1和S3，S2和S4均工作在互補狀態(tài)，占空比均為50%。橋臂A 和橋臂B 之間的移相角為180°。端口2 和端口3 分別為負載端口和儲能端口，其開關(guān)管的工作模式與端口1 的情況完全一致。端口2 和端口3 對應的參數(shù)都折算到端口1，可得到圖1(b)所示的△連接的等效電路[11]，如圖中v'2、v'3分別為v2和v3折算到端口1 的對應橋臂中點電壓。

圖1 隔離型三端口變換器

以v1為參考，v2(v2')和v3(v3')與v1之間的移相角分別為?12和?13，它們之間的關(guān)系可以用圖1(c)來表示。圖1(a)中的L1、L2和L3分別為3 個端口與變壓器繞組串聯(lián)的電感，經(jīng)變換后得到在圖1(b)所示的△連接的等效電路中的L12、L13和L32，可表示為

式中N1、N2和N3分別表示3 個端口的繞組匝數(shù)。

根據(jù)圖1(b)的△等效電路可以看出，隔離型三端口變換器可以看成3 個兩兩作用的雙有源橋變換器，因此通過分析雙有源橋變換器中高頻變壓器繞組的電流，可以得出隔離型三端口變換器的各端口電流狀況，進而可以對其實現(xiàn)軟開關(guān)的條件進行分析研究。假設(shè)端口3 開路，則可將端口1 和端口2 可看作一個雙有源橋變換器，如圖2所示。

圖2 雙有源橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2，將端口2 參數(shù)折算到端口1，可得到雙有源橋變換器的簡化等效電路模型如圖3 所示。

圖3 雙有源橋變換器的簡化等效電路模型

假設(shè)V1r和V2r表示v1和v2′的穩(wěn)態(tài)幅值，其中V1r=vS1，V2r=vS2/n1，n1=N2/N1。同理，可設(shè)V3r=vS3/n2，n2=N3/N1。忽略死區(qū)時間，假設(shè)開關(guān)過程瞬時完成，即電流從一個橋臂開關(guān)管轉(zhuǎn)移到另一個橋臂的開關(guān)管瞬時完成，則可得圖4 所示的電壓與電流波形。

圖4 雙有源橋電壓和電流波形

如圖4 所示，端口1 橋臂中點的電壓超前端口2 橋臂中點的電壓，在一個開關(guān)周期中根據(jù)v1和v2'的上升和下降邊沿有4 種開關(guān)模態(tài)。根據(jù)圖3 所示等效電路和圖4 所示開關(guān)模態(tài)，可得4 種模態(tài)下折算后的端口1 繞組中的電流i12：

聯(lián)立式(1)～(3)，可得i12和i13在t0、t1和t2時刻(轉(zhuǎn)折點處)的值分別為

對照圖1(a)以端口1 為例。若要實現(xiàn)端口1 全 橋 變 換 器 的 零 電 壓 開 通(zero voltage switch ON，ZVS ON)，則需要使i1在相位上滯后v1，即i1的過零點滯后于v1的過零點，這樣可以保證在開關(guān)管觸發(fā)信號到來時刻，其反并聯(lián)二極管處于導通續(xù)流狀態(tài)。例如對應v1的下降沿對應時刻t3需滿足：

同理，可得到為了實現(xiàn)端口2 和端口3 變換器ZVS ON，需滿足條件：

定義d12=vS2/(n1vS1)、d13=vS3/(n2vS1)、?32=?12??13，并假設(shè)L12=L13=L32，根據(jù)式(4)、(5)可以得到：

求解式(6)并化簡整理后可得實現(xiàn)三端口變換器軟開關(guān)的條件為(按照端口1 到端口3 的順序自上而下排序)

根據(jù)式(7)，在MATLAB 中用m 語言編程可形象地繪制出變換器的軟開關(guān)范圍。例如，當固定vS3和?13時，可得實現(xiàn)三端口變換器軟開關(guān)(ZVS ON)時d12與?12需要滿足的關(guān)系，如圖5 所示。圖5 中，陰影部分表示3 個端口的變換器可以同時實現(xiàn)ZVS ON 的范圍。由圖5 分析可見，當任意兩端口的移相角和電壓等級確定后，三端口變換器開關(guān)管的ZVS ON 范圍與各個端口之間的移相角絕對值的大小有密切的關(guān)系，絕對值越大，實現(xiàn)軟開關(guān)范圍也越大。此外，由圖5(a)、(c)和(d)對比可知，三端口變換器軟開關(guān)的范圍與3 個端口間電壓相對大小(即d12、d13)有關(guān)，某一端口電壓增大，則該端口實現(xiàn)軟開關(guān)范圍變大而其他2 個端口減??；反之，則該端口實現(xiàn)軟開關(guān)范圍減小而其他2 個端口增大。對于隔離三端口變換器而言，d12=1 且d13=1 時所有端口實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍最大[12?13]。

圖5 不同條件下軟開關(guān)范圍

2 仿真驗證

2.1 仿真模型

利用MATLAB/Simulink 仿真軟件，通過搭建隔離三端口變換器的仿真模型來驗證上述理論分析的正確性。所搭建的Simulink 仿真模型如圖6所示。其中，移相模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示(以圖6 中的PSPWM2 模塊為例)。

圖 6 Simulink 仿真模型

圖7 移相模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過對開關(guān)頻率與一個開關(guān)周期(2π)所對應的角度(360°)乘積的積分所產(chǎn)生的斜坡信號與所設(shè)置移相角作差，其結(jié)果以360 為模進行取余運算。這樣便產(chǎn)生了頻率為20 kHz、幅值為360 的周期性鋸齒波信號，將其作為載波信號。所產(chǎn)生的脈沖信號用來控制開關(guān)管的通斷。端口1 和端口2 的移相模塊的輸出波形如圖8 所示。

圖8 移相模塊波形

可以看出，端口1 的載波信號超前于端口2 的載波信號。因此，3 個端口在相同的調(diào)制信號下(本文為180，即載波幅值的一半，產(chǎn)生50%占空比的脈沖信號)。端口1 的開關(guān)管觸發(fā)脈沖將超前于端口2 的開關(guān)管觸發(fā)信號，這是因為 端口變換器載波信號之間的相位差即為觸發(fā)信號之間的移相角，從而實現(xiàn)了不同端口之間的移相控制。

2.2 仿真過程

本文分別對2 種負載情況進行開環(huán)仿真，仿真參數(shù)如表1 所示。情況A 為RL=45 Ω，情況B為RL=25 Ω。2 種情況下負載電壓vS2均保持為180 V。通 過 計 算，RL=45 Ω 時 移 相 角?12=35.5°，?13=21.7°；而在RL= 25 Ω 時?12=52°，?13=7.1°。這樣使得在2 種負載情況下，端口2 的輸出電壓保持不變。如圖5(a)、(b)中的標注所示。觀察工作點A、B可見，處于較輕負載的情況A 時，圖5(a)中A點的位于陰影區(qū)所示的公共軟開關(guān)區(qū)域之外，根據(jù)式(7)可知端口1 和端口2 均能實現(xiàn)軟開關(guān)，端口3 無法實現(xiàn)ZVS ON。當處于較重負載的情況B 時，圖5(b)中的B點位于陰影區(qū)域內(nèi)部，故端口1、2 和3 均能實現(xiàn)ZVS ON。

表1 仿真模型的主要參數(shù)

接下來分別對情況A 和B 進行仿真測試。對于較輕負載的情況A，三端口變換器橋臂中點電壓和變壓器原邊繞組的電流仿真波形如圖9 所示。

圖9 RL=45 Ω 時的電壓和電流仿真波形

由圖9 可知，在此情況下，端口1 和端口2 的變壓器繞組電流i1和i2分別在電壓v1和v2上升沿時為負值，而在電壓v1和v2的下降沿時為正，因此端口1 和端口2 可以實現(xiàn)ZVS ON；而端口3 變壓器繞組電流i3在電壓v3的下降沿時為負值，因此無法實現(xiàn)軟開通。在實際應用時，硬關(guān)斷會產(chǎn)生更多的損耗。

對于較重負載的情況B，3 個端口變換器橋臂中點電壓和變壓器原邊繞組的電流波形圖如圖10所示?？梢?，在此情況下對應v1、v2和v3的上升沿，i1、i2和i3均為負值，而在三端口變換器橋臂中點電壓的下降沿時為正值，因此3 個端口的全橋變換器的開關(guān)管都可以在此情況下實現(xiàn)ZVS ON。這與前文理論分析的結(jié)果是吻合的。

圖10 RL=25 Ω 時的電壓和電流仿真波形

3 實驗驗證

在理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)上，搭建了一臺實驗樣機進行實驗驗證。隔離三端口變換器的硬件實物圖如圖11 所示，硬件電路的主電路部分包括3 個相同的控制板、含驅(qū)動電路的全橋變換器、三繞組高頻變壓器、負載電阻、直流輸入電源和蓄電池?？刂埔許TM32F407IGT6 控制器為核心，通過其集成的可變靜態(tài)存儲控制器(flexible static memory controller，F(xiàn)MSC)總線與FPGA 芯片EP4CE6E22C8接口，由后者產(chǎn)生12 路移相控制脈沖信號。

圖11 硬件實驗電路

在實驗過程中，通過STM32F407IGT6 設(shè)定各端口的移相角，將這個移相角信號通過FSMC總線傳輸至EP4CE6E22C8 芯片。對于較輕負載的情況A，分別設(shè)置移相角?12=35.5°、?13=21.7°。實驗波形如圖12 所示。由圖可知，在此情況下，端口1 和端口2 的變壓器繞組電流i1和i2都分別在其變換器橋臂中點電壓v1和v2的上升沿時為負值，而在橋臂中點電壓的下降沿時為正值，因此可以實現(xiàn)ZVS ON。而端口3 的變壓器繞組電流在其全橋變換器橋臂中點電壓v3的下降時為負，因此該變換器在此情況下是硬開通的。

圖12 RL=45 Ω 時的電壓和電流實驗波形

對于負載較重的情況B，分別設(shè)置移相角?12=52°、?13=7.1°。實驗波形如圖13 所示。

圖13 RL=25 Ω 時的電壓和電流實驗波形

可見， 3 個端口的變壓器繞組電流都分別在各變換器橋臂中點電壓的上升沿時為負值，而在各變換器橋臂中點電壓下降沿時為正值， 因此3 個端口的全橋變換器的開關(guān)管在此情況下都可以工作在ZVS ON 狀態(tài)。上述實驗結(jié)果表明，理論分析和仿真與實驗測試的結(jié)果具有很好的一致性。

4 結(jié)論

基于隔離三端口變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，本文分析了隔離型三端口變換器實現(xiàn)ZVS ON 的工作范圍，利用MATLAB/Simulink 仿真工具對理論分析進行了驗證，并在此基礎(chǔ)上利用硬件電路對理論分析和仿真的結(jié)果進行了相應的驗證。結(jié)果表明：理論分析所得出的特定條件下三端口變換器的軟開關(guān)范圍表達式的準確性得到了仿真和實驗驗證，可以用于實際系統(tǒng)研制時的輔助設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，有助于整個變換器系統(tǒng)效率和功率密度的提高。