推挽型隔離DC-DC變換器軟開關條件分析

闞志忠 馮建興 孟憲慧,2 王曉寰 張純江

推挽型隔離DC-DC變換器軟開關條件分析

闞志忠1馮建興1孟憲慧1,2王曉寰1張純江1

（1. 燕山大學電氣工程學院 秦皇島 066000 2. 唐山學院機電工程系 唐山 063000）

電流型隔離DC-DC變換器具有電流脈動小的優點，有利于延長儲能系統鋰電池的使用壽命；同時，減小開關損耗是提高功率變換效率的關鍵技術之一。因此該文討論利用電流型推挽隔離DC-DC變換器開關管的寄生電容進行諧振，滿足開關管的軟開關條件。首先分析變換器的增益特性和工作模態；其次基于變換器的等效電路模型，詳細分析推挽型隔離DC-DC變換器的軟開關瞬態過程，推導出變換器全部開關管軟開關條件的參量表達式；最后通過仿真和實驗結果驗證了軟開關條件的正確性。

DC-DC變換器 軟開關 推挽型 隔離

0 引言

由于具有較高的安全性、較好的保護性和較小的體積，隔離型DC-DC變換器在電動汽車、新能源發電等方面得到廣泛應用[1-4]，且智能電網和能源互聯網中電能路由器的研究給這類變換器提出了新要求[5-8]。本文研究適用于電能路由器儲能接口的推挽隔離型DC-DC變換器，用于鋰離子電池和電能路由器直流母線之間能量傳輸。作為儲能接口的DC-DC變換器需滿足如下要求：①能夠實現功率雙向傳輸；②高效率；③寬電壓范圍；④電池側低電流紋波。為此，許多學者開展了大量研究工作。

高效率是儲能接口隔離型DC-DC變換器的重要指標，簡化變換器結構、減小變換器的回流功率和實現軟開關為高效率變換器研究的三個典型方向。文獻[9-10]研究了一種隔離型雙半橋DC-DC變換器拓撲及其工作原理。與全橋變換器相比，該變換器功率器件數量減少一半，且無需額外的開關器件和諧振元件，可實現軟開關條件下的雙向功率流動。文獻[11]討論了輸入電感、移相角與占空比對雙半橋DC-DC變換器軟開關條件的影響。文獻[12]分析了傳統的移相全橋DC-DC變換器的功率回流現象和回流功率對電流應力的影響。文獻[13]分析了PWM+移相控制下雙半橋DC-DC變換器傳輸電感電流變化區間，通過占空比控制限制傳輸電感電流尖峰減小回流功率。文獻[14]在建立推挽型隔離DC-DC變換器的狀態平均模型的基礎上，采用PWM加移相方式達到降低傳輸電感電流、減小回流功率和提高傳輸效率的目的。文獻[15]重點討論利用開關管占空比、移相比和變換器增益之間的關系優化變換器的軟開關區間。本文針對電流型輸入推挽隔離DC-DC雙向變換器實現全部軟開關問題，逐一分析開關管的軟開關瞬態工作過程；建立每一個軟開關瞬態過程的等效電路模型，詳細推導出與每個開關對應的軟開關工作條件，同時分析傳輸電感和開關管輸出電容對軟開關的影響。

1 變換器的工作原理

1.1 拓撲結構及增益

圖1 推挽型隔離DC-DC變換器

圖2 變換器的等效電路

圖3 一次和二次電壓波形

為保持在一個開關周期內輸入升壓電感及變壓器的伏秒平衡，可得

當變換器穩態運行時，變壓器二次側傳輸電感s兩側電壓的幅值分別為

則輸入電壓1與輸出電壓2的電壓轉換比為

根據圖1中變壓器的一次電流KCL方程和變壓器磁動勢平衡關系可得

將式（7）～式（9）聯立，可以解出

1.2 工作模式分析

一個開關周期中推挽型隔離DC-DC變換器共有18個工作模態，變換器一個開關周期內的工作波形如圖4所示。

圖4 一個開關周期內的波形

從3～6時間段為后半個開關周期，其工作模態與0～3時間段類似，在此不再進行贅述。

2 軟開關過程分析

通過對第1節工作原理分析可發現，推挽型隔離DC-DC變換器實現零電壓開通，在開關管開通、關斷過程中開關管的寄生電容與變壓器傳輸電感s進行諧振，并在開關管開通前其兩端電壓下降到零，使反向并聯二極管導通。下面通過分析諧振過程推導出推挽型DC-DC變換器的軟開關條件。

在推挽型隔離DC-DC變換器中，橋臂S1和S2、橋臂S3和S4、橋臂S5和S6的工作方式完全對稱，不存在超前滯后現象。因此，只要實現了開關管S1、S3和S5的零電壓開通，即可實現所有開關管的零電壓開通。因此，將對開關管S1（模態18）、S3（模態15）、S5（模態4）進行軟開關分析。

2.1 開關管S1軟開關分析

圖5 S1零電壓開通電路

圖6 S1零電壓開通等效電路

根據圖6等效電路可列方程式為

由于開關器件寄生參數的一致性，則假設

解式（12）可得

此時，0.5＜＜1，聯立式（13）、式（14）可解得

同時式（20）還可寫成

由此可看出，當傳輸電感固定不變時，在一定范圍內寄生電容r越小，S1越容易實現軟開關。

2.2 開關管S3軟開關分析

圖7 S3零電壓開通電路

圖8 S3零電壓開通等效電路

根據等效電路可列方程式為

由于開關器件寄生參數一致性，則假設

則可解出

由式（26）可得，當傳輸電感固定時，在一定范圍內寄生電容值r越小，S3越容易實現軟開關。

2.3 開關管S5軟開關分析

圖10 S5零電壓開通等效電路

則可解出電容S5兩端電壓為

由式（31）可以看出，當傳輸電感固定時，在一定范圍內寄生電容r越小，S5越容易實現軟開關。

3 仿真與實驗結果分析

為驗證理論分析的正確性，采用Matlab仿真軟件建立仿真模型進行驗證，變換器主電路的仿真與實驗參數見表1。

3.1 仿真分析

3.1.1 全周期軟開關仿真分析

表1 主電路參數

Tab.1 main circuit parameters

圖11 S1的開通過程仿真波形

圖12 S3開通的仿真波形

圖13 S5的開通過程仿真波形

根據開關管S5軟開關過程原理，代入相應數值后可得：Is6=-7A，s=80mH，V2=350V。根據式（31）可得，r<16nF。開關管S5的寄生電容為130pF，該參數符合軟開關寄生電容的數值范圍，滿足開關管S5軟開關條件。

3.1.2 寄生電容對軟開關的影響

在驗證變換器所有開關管零電壓開通的基礎上，S2的寄生電容增加0.1mF，進一步驗證軟開關條件，圖14為增加了0.1mF寄生電容開通過程仿真波形。

圖14 增加了0.1mF寄生電容開通過程仿真波形

由3.1.1節可知，開關管寄生電容范圍r＜8.166nF，開關管兩端寄生電容要在此范圍內，否則推挽型隔離DC-DC變換器將不能滿足零電壓開通條件。

3.2 實驗分析

圖15 S2的軟開關實驗波形

圖16 S3的軟開關實驗波形

圖17 S5的軟開關實驗波形

4 結論

電流型推挽隔離DC-DC變換器具有適合寬電壓范圍、電池側低電流紋波的特點。本文首先分析了其工作原理，重點分析了變換器軟開關過程，尤其是分析了寄生參數對軟開關的影響，推導了推挽隔離DC-DC變換器中各個開關管達到軟開關條件的參數表達式。在仿真和實驗中通過設置不同的諧振電容值，進一步驗證了軟開關條件理論分析的正確性與有效性。

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Analysis of Soft Switching Conditions of Push-Pull Isolated DC-DC Converter

111,211

（1. School of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066000 China 2. Department of Mechanical And Electrical Engineering Tangshan University Tangshan 063000 China）

The current source isolated (CSI) DC-DC converter has the advantage of low current ripple, and it is beneficial to the service life of the lithium battery of the energy storage system. At the same time, reducing the switching loss is one of the key technologies to improve the power conversion efficiency. Therefore, this paper discusses the method of using the parasitic capacitance of the push-pull CSI DC-DC converter switch tube to perform resonance to meet the soft-switching conditions of the switch tube. Firstly, the gain characteristics and operating mode of the converter are analyzed. Secondly, based on the converter’s equivalent circuit model, the soft-switching transient process of the push-pull CSI DC-DC converter is analyzed in detail, and the parametric expressions of the soft-switching conditions of all switches of the converter are derived. Finally, the simulation and experimental results verify the correctness of the soft-switching conditions.

DC-DC converter, soft-switching, push-pull, isolation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90349

TM46

國家自然科學基金資助項目（51877187）。

2020-07-09

2020-12-09

闞志忠 男，1970年生，博士，副教授，研究方向為新能源變換技術。E-mail: kanzhizhong@126.com

張純江 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為可再生能源分布式發電及控制、逆變電源及并聯并網技術、儲能系統功率流控制。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）