有源鉗位在反激式微逆變器中的應用研究

秦曉佳，吳義純，陳銀，于傳，馬娟，李冰

（1.安徽電氣工程職業技術學院，安徽 合肥 230051；2.國網安徽省電力有限公司培訓中心，安徽 合肥 230022；3.陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

太陽能微型逆變器的研究成為最近幾年人們研究可再生能源的重要裝置，專業研究人員都在設法提高微型逆變器的效率。隨著功率開關器件的發展，人們在其拓撲結構和變換技術上取得了很大的進步，發展到了相當高的水平；有源鉗位電路是在開關電源中常用的一種軟開關控制電路，現在被人們更多地應用在對高頻電路中開關管的保護上。在本文中，有源鉗位電路應用在太陽能微型逆變器的前級升壓部分，用以吸收反饋能量和減小開關管的承受的電壓應力。

在反激式變換器中，漏感Lr是衡量變壓器性能的一項重要指標。變壓器的漏感和開關管的結電容諧振，使開關管在截止瞬間產生很高的電壓尖峰，容易把開關器件過壓擊穿，所以在反激式變換器中開關器件往往需要承受很高的電流和電壓應力。為了使功率開關器件工作在安全工作區，要將變壓器漏感產生感生電勢（過電壓）限制在允許范圍內，本文通過設置有源鉗位電路限制變壓器漏感產生的尖峰過電壓。并通過實驗和matlab 仿真驗證了有源鉗位電路提高轉換效率的有效性。

1 反激式DC-DC 電路拓撲結構分析

1.1 無源鉗位電路的反激式拓撲結構及分析

鉗位電路是將脈沖信號的某一部分固定在指定電壓值上，并保持原波形形狀不變的電路，分為有源鉗位電路和無源鉗位電路，下面首先對兩種無源鉗位電路做一個比較分析。

ZD 鉗位電路，對由齊納二極管的阻斷電壓指定的開關管電壓提供硬鉗位，該電路結構簡單，易于實現，缺點是鉗位電壓要由二極管的阻斷電壓決定，大大限制了抑制不同的尖峰電壓。

RCD 鉗位電路，其開關管關斷后，漏感能量將被轉移到鉗位電容中，那么開關管兩端的電壓即被鉗位到固定值，從而減小了開關管的電壓應力。這種鉗位電路優點是結構簡單、體積小、成本低，但是變壓器激磁電感磁通復位的能量最終轉移到了電阻上，繼而轉化為熱能消耗掉，降低了反激式變換器的效率。

1.2 有源鉗位電路的反激式拓撲結構及分析

有源鉗位電路，是指采用通態電阻較低的MOSFET 來做鉗位開關管，主功率開關管和鉗位開關管相互配合，當主功率開關管關斷時，鉗位開關管導通，利用電容吸收尖峰電壓。由于鉗位開關管MOSFET 導通時的功率損耗很低，能夠大大提高反激式變換器的效率，因此，有源鉗位電路常用在工作頻率較高的反激變換電路中，實際工作中的有源鉗位電路如圖1 所示。

圖1 有源鉗位ZVS 反激式變換器電路

2 控制導通與關斷的PID 調節器設計

離散的2P2Z 控制器傳遞函數：

PID 調節器設計如圖2 所示。

3 matlab 仿真及實驗結果分析

3.1 主功率管電壓分析

圖2 PID 調節器設計圖

圖3 是基于matlab/simulink，變換器工作在100KHz時的仿真結果，分別是包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時的電壓波形對比圖。

圖3 包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時的開關管承受的電壓波形對比圖

從仿真波形中可知，在不含有源鉗位電路的反激式變換器中，因開關管關斷時電流變換率非常大，變壓器漏感會產生一個電壓尖峰，而含有源鉗位電路的反激式變換器，因主開關電壓被鉗住，開關管兩端承受的電壓應力則明顯減小。

3.2 功率損耗分析

有源鉗位電路損耗中開啟、關斷過程損耗占MOSFET 功率損耗的比例較大，開通、關斷損耗計算公式如（2）、（3）：

式中，Rds(on)為實際結溫下的導通電阻，Id為導通時的電流有效值，Ton為一個周期內的導通時間，f 為開關頻率，占空比D=Ton×f；VDS為截止時的D～S 的電壓，IDSS為截止時的實際結溫下的漏電流,toff為一個周期內的截止時間。

matlab/simulink 仿真條件設置輸入電壓30V，占空比設為0.1，工作頻率設為100kHz，負載設為2kΩ，在含有源鉗位和不含有源鉗位電路兩種情況下，主開關管MOSFET 功率損耗波形如圖4 所示：

圖4 含有源鉗位和不含有源鉗位MOSFET 功率損耗

從仿真圖中可以計算，含有源鉗位和不含有源鉗位電路情況下，轉換效率不同，包含有源鉗位電路的轉換效率為η=97.3%，不含有源鉗位電路的轉換效率η=89.7%，由仿真波形看出，包含有源鉗位電路的主功率管MOSFET 損耗相對要小，能夠有效提高電路效率。根據仿真的結果，在實驗平臺上進行包含有源鉗位的反激式變換電路主開關管MOSFET電壓、電流實驗，得到的電壓電流波形如圖5 所示：

圖5 實驗波形

從實驗波形能夠看出，MOSFET 兩端的尖峰電壓低，說明有源鉗位電路能夠有效削去尖峰電壓，降低MOSFET 電壓應力，從而使開關管在導通和關斷時的開關損耗減小。

4 結語

本文對反激式微逆變器中的有源鉗位電路進行了詳細的分析，主要是功率開關管MOSFET 承受的電壓應力和功率損耗。通過matlab 仿真結果以及實驗表明，有源鉗位電路能夠有效降低MOSFET 承受的電壓應力，從而減少電路的損耗。