隔離型雙向升壓全橋DC- DC 變換器效率的提高

孫飛 劉通

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱150027）

1 概述

自從Charles F.Kettering 發明了電池供電的電動起動電動機并啟發了直流配電以來，電池和光伏電池已經成為實用和必不可少的能源，基于直流電的可再生能源管理系統也越來越受歡迎。為了滿足對更安全、更高效的可再生能源管理系統的最新要求，作者的興趣集中在具有隔離功能的功率調節系統的底層技術上，這有助于提高系統的安全性和最小化系統的體積。廣泛的三相公用系統安裝迫使能源供應商要求隔離功能，以呼吁他們的先進安全意識[1]。

為了從可再生能源中擴大輸入電壓范圍，以前對電流型全橋DC-DC 變換器的研究已經提出了許多具有吸引力的候選電路。然而，現有的候選電路并沒有給出很好的解決方案，以滿足最近的安全要求，因為他們沒有提供足夠的實際安全性，或他們沒有很高的效率。

為了滿足這一要求，本文開發了一種具有隔離功能的高頻DC-DC 變換器，該變換器包括有源緩沖網絡，以滿足最近10 千瓦光伏發電系統的需求。為了進一步利用所提出的轉換器，我們在雙向延伸上研究更有效的可充電儲能管理系統[2]。本文提出了提高隔離式雙向Boost 全橋DC-DC 變換器能量轉換效率的思路，以實現儲能器與直流母線之間的有效能量轉換。

該方案除了簡單的單雙向功率級外，還具有優化的驅動頻率、半 理想的繞組比和較低的無源開關損耗等優點，提高了功率轉換效率，有源緩沖電路損耗低，輸出端同步整流。提出了隔離型雙向Boost 全橋DC-DC 變換器的進一步效率改進方案，優化了開關頻率，改進了低損耗有源吸收網絡。

2 電路原理分析

所提出的帶低損耗有源緩沖網絡的隔離雙向Boost 全橋DC-DC 變換器的電路圖如圖1 所示。該變換器由基本Boost 全橋變換器組成，該變換器在隔離變壓器TR 的兩側具有有源開關全橋半導體塊Q1-Q4 和Q5-Q8 實現雙向功率轉換，附加的有源緩沖器組合塊包括由Qr 和在優化驅動頻率、重構隔離變壓器TR 的繞組比到半理想值、降低緩沖網絡中的無源開關損耗等方面，嘗試了提高效率的方案。

為了簡化電路的分析和工作模式，進行了以下假設：

圖1 具有低損耗緩沖網絡的隔離雙向全橋DC-DC 變換器

圖2 提出的DC-DC 變換器穩態時的關鍵時序圖

a.晶體管、二極管、電感器和電容器無寄生元件，理想。

b.由于變換器的開關頻率足夠高，因此在一個開關周期內，存儲電壓和直流母線電壓是恒定的。

圖2 顯示了所提出的DC-DC 轉換器在穩態放電模式下的關鍵時序圖。在狀態[t0，t1]和[t2，t3]中，從Q1 到Q4 的整個全橋開關器件被導通，并且初級電感器L 被退出。因此，在以下狀態[t1，t2]或[t3，t0]中，變壓器TR 通過交替功率半導體開關Q1 和Q4 或Q2 和Q3 來傳遞能量[3]。

另一個全橋開關Q5-Q8 作為同步整流器工作，以幫助減少相應的反并聯二極管的傳導損耗。在同步整流不太有效的情況下，例如在輕負載條件下，它們可以保持在放電模式下完全關閉。

開關周期T 和接通狀態占空比Ton 在該時序圖中定義。電流iMg表示變壓器TR 的磁化電流，但由于其小于實際設計過程中所示的電流，因此常被忽略。說明了升壓全橋變換器的基本操作，而我們有理想的規則功率在輸出負載[4]。

該電路的放電模式操作與基本單向方案相同。

模式0[t0，t1]：所有的橋開關Q1、Q2、Q3 和Q4 都會像流行的升壓斬波器一樣，接通電感器L，而Q1 和Q4 在這段時間內都是接通的。

模式1[t1，t2]：Q2 和Q3 在t1 和Q1 和Q4 保持時關閉，此時從電感器L 到變壓器TR 的電流是連續的。電路通過整流器開關Q5 和Q8 向直流母線提供能量傳輸。電感器L 的電流減小。這種操作看起來像是輸出狀態下的基本Boost 變換器[5]。能量轉移一直持續到時間t2，這個時間間隔的終點在連續電流模式下。

模式2[t2，t3]：t2 時Q2、Q3 接通，整個橋開關重新接通。此模式的狀態與模式0 類似。

模式3[t3，t0]：Q1 和Q4 在t3 關閉，Q2 和Q3 打開，從電感器L 到變壓器TR 的電流是連續的。電路通過整流器開關Q6 和Q7 向直流母線提供能量傳輸[6]。模式3 與模式1 互補，橫截面橋徑相反。

觀察變換器在不連續電流模式下的工作情況，在時間t2（模式1 結束）之前，初級電感器電流iL下降到磁化電流iMg的水平。當電橋偏壓Vm在其它基波變換器的不連續電流模式下振蕩時，變換器直到t2才向直流母線提供能量傳輸。

與電壓型DC-DC 變換器不同的是，該變換器是電流型的，具有連續的偏置輸入電流到全橋開關，并且在輕載或啟動過程中存在能量非自愿轉移的固有問題[7]。為了解決這一問題，本發明的Boost 全橋變換器具有輔助有源緩沖電路，該電路包括帶有有源開關Qr的有源復位路徑和一個二極管Drin串聯（該二極管使電感L 有源并聯短路）和有源電壓箝位電路（帶有開關Qs），如圖2 所示。

由于隔離變壓器直流母線側的有源橋式開關Q5-Q8，該變換器提供充電模式操作的雙向能量轉換[8]。該轉換器作為PWM全橋變換器工作，在充電模式下使用電感L 作為低通濾波器。輔助有源緩沖電路開關Qr和Qs在充電模式下始終保持在斷開狀態，以使用電感器L，該電感器可減輕不希望的高頻脈沖電流流向存儲器[9]。全橋開關Q1-Q4 作為同步整流器運行，有助于降低相應的反并聯二極管的傳導損耗。在同步整流不太有效的情況下，例如在輕負載條件下，它們可以在充電模式下保持完全關閉。

3 實驗測試

為了驗證所提出方案的可行性和準確性，研制了一臺10kw變流器樣機并進行了試驗。表1 列出了原型規格。結果用DLM2054 示波器和WT1600 型橫河儀器功率分析儀獲得了波形和效率特性。

表1 原型規格

表2 列出了轉換器部件的說明。當工作儲能電壓在280-320v 之間時，變壓器的繞組比為0.9，這與Boost 全橋方案下的理想值非常接近。直流母線電壓被調節到額定330 伏，數字控制嵌入在標準瑞薩電子微控制器上。

表2 原型組件描述

圖3 優化振蕩頻率和改進緩沖二極管的變換器效率特性

圖3 顯示了原型轉換器的測量效率特性。該圖表明，緩沖二極管的開關頻率和恢復性能與所提出的變換器的能量轉換效率密切相關[10]。從標準快恢復二極管到超快恢復二極管或超快SiC 肖特基二極管，開關頻率的優化和緩沖二極管的性能改進有助于提高隔離雙向全橋DC-DC 變換器的能量轉換效率。

4 結論

提出了一種具有低損耗有源緩沖的隔離型雙向Boost 全橋變換器的效率提高方案。該方案具有優化的驅動頻率、半理想的繞線比和較低的無源開關損耗。實驗結果表明，隔離型雙向全橋DC-DC 變換器的能量轉換效率與緩沖二極管的開關頻率和恢復性能密切相關。優化開關頻率，將緩沖二極管從普通型升級為快恢復二極管或超快SiC 肖特基二極管，有助于提高能量轉換效率。實驗結果還表明，原型10kw變換器的效率得到了較大的提高，滿足了現代可再生能源管理系統應用的要求。