一種電流型推挽橋式軟開關(guān)雙向直流變換器

吳其玉

（南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000）

隨著社會(huì)需求、工業(yè)需要，雙向直流變換器應(yīng)用的范圍越來越廣，例如航空航天供電系統(tǒng)、UPS 需求、電動(dòng)汽車電源需求以及太陽能發(fā)電等場合。推挽變換器因結(jié)構(gòu)簡單，電氣隔離效果好，變壓器利用率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于這些場合[1]。

文獻(xiàn)[2]給出了一種電流型推挽全橋式雙向直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方案，采用有源箝位技術(shù)抑制變換器推挽側(cè)的開關(guān)管電壓關(guān)斷尖峰問題，但控制方案、電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]給出了一種用串聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的推挽正激電路拓?fù)浼翱刂品桨福谧儔浩鞲边厒?cè)增加了輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，但是輔助諧振電容對(duì)變換器的效率造成了一定的影響，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)需要滿足一定的條件。文獻(xiàn)[4]給出了一種推挽正激移相式雙向直流變換器及其控制方法，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是不適用于寬調(diào)壓范圍的應(yīng)用。此外，還有多種軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法來解決推挽變換器存在的問題，文獻(xiàn)[5]、[6]則提出了一種新穎的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，充分利用雙向變換器的特性，降低電路的復(fù)雜程度，使得問題得以簡化。

本文研究了一種推挽全橋式雙向直流變換器，其由兩部分組成，在變壓器的原邊低壓側(cè)是電流型推挽電路，副邊高壓側(cè)是全橋電路，其可工作在升壓與降壓兩種狀態(tài)。升壓狀態(tài)下，同步推挽側(cè)與全橋側(cè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；降壓狀態(tài)下，只需控制全橋側(cè)功率管即可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作。因此，雙向狀態(tài)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，均不需添加額外器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。文章詳細(xì)分析了該變換器的工作原理，關(guān)鍵特性與設(shè)計(jì)，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)表明了所分析理論的正確性及有效性。

1 推挽橋式雙向直流變換器拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

圖1 為推挽橋式軟開關(guān)雙向DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其由變壓器原邊側(cè)電流型推挽電路和副邊側(cè)全橋電路構(gòu)成。圖1 中，V1：低壓側(cè)直流電壓；V2：高壓側(cè)輸出電壓；S1～S6：功率管；D1～D6：功率管反并聯(lián)二極管；Cin：低壓側(cè)濾波電容；Co：高壓側(cè)濾波電容；L：輸入濾波電感；Llk1、Llk2：高頻變壓器原、副邊繞組漏感；N11、N12、N2：高頻變壓器原、副邊繞組匝數(shù)且有N11=N12。

圖1 推挽橋式雙向DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

詳細(xì)分析工作原理之前，為了方便，先做如下假設(shè)：

（1）所有功率開關(guān)管、元器件等都是理想的；

（2）輸入電感L 足夠大以保證流過其的電流連續(xù)；

（3）變壓器漏感Llk1=Llk2=Llk，匝比N2/N1=n，變壓器激磁電感足夠大。

在以上假定條件下，該變換器的工作過程可以分為升壓與降壓兩部分工作。

1.1 升壓過程

在此過程中開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)相位差為180°，占空比大于50%。開關(guān)管的控制策略及主要工作波形圖如圖2所示，其中iLk1、iLk2為流過變壓器繞組電流，VS1、VS2為功率管上的電壓。在S1的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變換器可分7 個(gè)工作開關(guān)模態(tài)。各個(gè)模態(tài)等效電路圖如圖3 所示。

圖2 升壓過程控制策略及主要波形圖

圖3 升壓過程各模態(tài)等效電路圖

1.1.1 模態(tài)1[t0～t1]，如圖3(a)所示；此階段S2開通、S1關(guān)斷，因變壓器同名端極性為正，副邊開關(guān)管對(duì)應(yīng)的體二極管D3、D6導(dǎo)通，能量由推挽側(cè)通過高頻變壓器傳遞到全橋側(cè)，此時(shí)S1上的耐壓為2Vo/n，S4、S5上的耐壓為Vo。此階段S2流過全部輸入電流。

1.1.2 模態(tài)2[t1～t2]，如圖3(b)所示；t1時(shí)刻開通S1，S2仍然保持開通狀態(tài)。此時(shí)，S1兩端的電容放電，其兩端的電壓迅速下降，流過S2的電流保持不變。由于前一時(shí)刻幾乎沒有電流流過S1，因此S1是零電流開通。全橋側(cè)狀態(tài)與模態(tài)1 保持相同。

1.1.3 模態(tài)3[t2～t3]，如圖3(c)所示；此階段S1、S2均保持開通狀態(tài)，流過S2的電流下降，流過S1的電流上升，當(dāng)它們以相同的速率變化到Iin/2 時(shí)，此階段結(jié)束。全橋側(cè)狀態(tài)仍然保持不變。在此階段，相應(yīng)的電流為：

1.1.4 模 態(tài)4[t3～t4]，如 圖3(d)所示；在保持推挽側(cè)S1、S2維持前一狀態(tài)不變的情況下，開通全橋側(cè)S3、S6；由于開通前相應(yīng)的體二極管D3、D6是導(dǎo)通狀態(tài)，因此全橋側(cè)S3、S6為零電壓開通。此階段由于副邊開關(guān)管的開通，電壓V2反射到原邊使得流過S1的電流繼續(xù)上升，流過S2的電流繼續(xù)下降，當(dāng)iS2為

0 時(shí)，iS1 為Iin 此階段結(jié)束

1.1.5 模態(tài)5[t4～t5]，如圖3(e)所示。在此階段ilk1繼續(xù)以相同的斜率上升，ilk2繼續(xù)下降，直到變成負(fù)值時(shí)，S2的體二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)關(guān)閉S2，S2可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。在此階段結(jié)束時(shí)，關(guān)斷S3、S6，由于此時(shí)S1的電流會(huì)達(dá)到最大值ISmax，因此這個(gè)時(shí)間段不宜太長，否則流過變壓器的尖峰電流也會(huì)過大。

1.1.6 模態(tài)6[t5～t6]，如圖3(f)所示；此階段S2關(guān)斷，S1仍保持開通，由于S3、S6的關(guān)斷，S4、S5的體二極管D4、D5迅速導(dǎo)通，變壓器作用電壓反向，因此流過S1和體二極管D2的電流相應(yīng)減小。當(dāng)流過體二極管D2的電流減小到0 時(shí)，此階段結(jié)束。

1.1.7 模態(tài)6[t6～t7]，如圖3(e)所示；在此階段，S2保持關(guān)斷，S1開通，S2兩端的電容迅速充電到2Vo/n。

t7之后，變換器開始后半周期的工作，與前半周期類似，不再重述。

1.2 降壓過程

降壓過程是能量從高壓V2向低壓側(cè)V1傳遞的過程，此時(shí)低壓側(cè)推挽側(cè)相當(dāng)于一個(gè)全波整流器。降壓過程功率管S3、S6和S4、S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位分別相差180°，占空比小于50%，主要波形圖如圖4 所示。一個(gè)開關(guān)周期可分為4 個(gè)模態(tài)，各個(gè)模態(tài)等效電路圖如圖5 所示。

圖4 降壓過程主要波形圖

圖5 降壓過程各模態(tài)等效電路圖

1.2.1 模態(tài)1[t0～t1]，如圖5(a)所示；在此階段，全橋側(cè)功率管S3、S6導(dǎo)通，副邊二極管D2導(dǎo)通，能量通過高頻變壓器由高壓側(cè)傳遞到低壓側(cè)。

1.2.2 模態(tài)2[t1～t2]，如圖5(b)所示；t1時(shí)刻，全橋側(cè)功率管S3、S6關(guān)斷，流過Llk的電流ilk迅速給電容C3、C6充電，給電容C4、C5放電，與此同時(shí)，C1也迅速放電，t2時(shí)刻，二極管D1、D2自然導(dǎo)通。

1.2.3 模態(tài)3[t2～t3]，如圖5(c)所示；此階段全橋側(cè)開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)，漏感電流ilk線性下降，且下降斜率為V2/Llk。當(dāng)二極管D1與D2流過的電流為1/2 的輸入電流時(shí)，此模態(tài)結(jié)束。

1.2.4 模態(tài)4[t3～t4]，如圖5(d)所示；開通S4、S5且其可實(shí)現(xiàn)零電壓開通，相應(yīng)的電流大小與模態(tài)3 中相同的速率上升或下降，最終流過D2的電流減小到0，此模態(tài)結(jié)束。

t4之后為后半周期的工作，與前半周期類似，不再重述。

2 關(guān)鍵特性分析與設(shè)計(jì)

若變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：低壓側(cè)電壓V1=28±20%V，高壓側(cè)電壓V2=270V，負(fù)載功率Po=500W，開關(guān)頻率fs=100kHz。

2.1 電壓增益及占空比設(shè)計(jì)

理想升壓狀態(tài)下推挽側(cè)S1、S2的占空比為d，若是忽略開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通時(shí)間d'，即圖2 中t5～t6的區(qū)間段，理想狀態(tài)下輸入輸出電壓關(guān)系為：

由占空比d 需要大于50%，V1選擇(Vin)max，由（4）（5）得到n<8。若是變壓器變比n 過高，那么相應(yīng)的變壓器損耗會(huì)因此增加，體積變大，磁芯損耗變大，又由于鄰近效應(yīng)，銅損、鐵損也隨之增加。但由相應(yīng)的開關(guān)管電壓應(yīng)力隨著變壓器變比n 減小，開關(guān)管上的耐壓值會(huì)隨之增加，因此權(quán)衡考慮選取n=5。此時(shí)若是V1電壓在22.4～33.6V 區(qū)間內(nèi)變化，則有占空比d 在0.69～0.79 區(qū)間內(nèi)變化。

2.2 漏感大小設(shè)計(jì)

把各參數(shù)代入（7），得到Llk_T=10.5μH，此處選取Llk1、Llk2大小一致，則Llk1=Llk2=5.25μH。

2.3 輸入電感設(shè)計(jì)

輸入電感的大小可表示為：

若輸入電流的脈動(dòng)為20%的額定電流值，可得L 大小為15μH。

2.4 濾波電容設(shè)計(jì)

考慮推挽側(cè)電壓紋波100mV，全橋管的占空比為1-d=0.3，則推挽側(cè)電容大小為：

代入各參數(shù)可得Cin=14μF。

2.5 高頻變壓器的選型

由于推挽全橋式雙向直流變換器在兩個(gè)方向上變壓器都是雙向磁化，因此變壓器鐵心屬于第Ⅰ類工作狀態(tài)，應(yīng)該選擇飽和磁密Bs高、磁導(dǎo)率μ 高、損耗低的材料，綜合此處的應(yīng)用頻率為100kHz，因此選擇R2KB 型軟磁鐵氧體制成的EE 型鐵心。根據(jù)相關(guān)資料，R2KB 軟磁鐵氧體對(duì)應(yīng)的飽和磁密為0.35T，考慮到高溫時(shí)飽和磁密下降所帶來的影響，取Bm為1/3 的飽和磁密，因此此處有：

其中，Aw是窗口面積，Ae是有效導(dǎo)磁面積，Kw為窗口填充系數(shù)，通常情況下小于0.5，此處取0.3。J 為導(dǎo)線的電流密度，通常情況下為3～5A/mm2，此處取4 A/mm2。把各參數(shù)代入（11），得到AP 值為7.3cm2。此處選擇EE60 型的變壓器，Ae為2.47cm2，Aw為3.92cm2。

3 仿真實(shí)驗(yàn)論證

在PSIM 仿真軟件平臺(tái)搭建了上述軟開關(guān)電流推挽橋式電路的仿真實(shí)驗(yàn)論證模型，具體仿真參數(shù)如表1 所示，各個(gè)參數(shù)大小與第2 部分設(shè)計(jì)值大小一致。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6(a)～(c)給出了升壓與降壓工作關(guān)鍵波形仿真結(jié)果。其中，圖6(a)為升壓狀態(tài)下推挽側(cè)功率管S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs1及其耐壓Vds1、全橋側(cè)功率管S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs4以及輸出電壓的波形；圖6(b)為升壓狀態(tài)下輸入電感電流IL、流過開關(guān)管的電流Ilk1、Ilk2以及IS3及S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs4波形圖，由圖可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在270.2V，電壓紋波大小約為95mV，推挽側(cè)開關(guān)管的耐壓值約為101V；與圖6(c)為降壓狀態(tài)下S3、S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs3、Vgs4、輸入電感電流IL及低壓側(cè)電壓V1的波形圖，在此狀態(tài)下，全橋側(cè)功率管的占空比為0.35，低壓側(cè)輸出電壓穩(wěn)定在28V，電壓紋波約為113mV；由此可見，仿真結(jié)果與理論分析及設(shè)計(jì)一致。

圖6 升壓與降壓工作關(guān)鍵波形圖

圖7 則為推挽側(cè)功率管S2的驅(qū)動(dòng)Vgs2以及流過其的電流Ilk2波形圖，從中可以看出，在S2即將關(guān)斷時(shí)，流過它的電流已經(jīng)下降為負(fù)值，S2的反并聯(lián)二極管已經(jīng)導(dǎo)通，即滿足功率管的零電流關(guān)斷條件，與理論分析結(jié)果相符合。

圖7 功率管軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)過程圖

4 結(jié)論

本文分析一種電流型推挽橋式軟開關(guān)雙向DC/DC 直流變換器，詳細(xì)討論了雙向工作的各個(gè)模態(tài)，闡明了變換器的關(guān)鍵特性及參數(shù)設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所分析理論的正確性及有效性，變換器拓?fù)渑c開關(guān)控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)。