大功率储能型有源箝位反激变换器的研究
作者 王云涛1 杨文荣1 鲁兵1 喻志森1 刘江华2 1.河北工业大学电气工程学院(天津 300130)2.天津天传新能源电气有限公司(天津 300180)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344571.htm摘要：本设计主要适用于蓄电池与逆变器直流母线之间的变换器，接受逆变器的调度，实现蓄电池的充、放电功能。主要分析了输入(或输出)300V，输出(或输入)48V的有源箝位双向反激DC-DC变换器的电路设计原理，阐述了能量正向传递时的工作过程，并对主电路参数进行设计计算。通过搭建模型进行仿真，得出工作过程波形。通过实验验证了理论与仿真的正确性，以及实现了该反激变换器的主开关管的零电压开通(Zero Voltage Switch，ZVS)。
引言
独立风能、太阳能发电系统受天气影响很大，输出功率不稳定，所以，迫切需要配置储能系统来保证系统供电的可靠性和连续性。双向DC-DC变换器可实现发电系统能量与蓄电池能量的双向传递。双向DC-DC变换器朝着高频性、高可靠性、高效率、小型轻量化和高性能的方向发展。传统的双向DC-DC变换器工作在硬开关状态，开关损耗大、可靠性低，解决问题的最佳方式是采用软开关技术。有源箝位双向DC-DC反激变换器可以实现变压器漏感能量的吸收、开关管的关断电压抑制，以及实现开关管的ZVS等功能[1,2]。此外，在双向反激变换器中采用有源箝位技术，未增加电路控制的复杂程度，是双向反激电路实现电压箝位和软开关的首选技术。
本文主要对双向反激变换器的有源箝位变换器的工作原理和软开关技术进行了分析。
1 电路拓扑与工作模态分析
1.1 电路拓扑
有源箝位双向反激直流变换器的电路拓扑如图1所示。该拓扑结构是以基本双向反激变换器隔离变压器为基础，在隔离变压器两侧添加有源箝位电路形成的。
其中，Uin、Uout为输入输出电压;激磁电感Lm和理想变压器Tx组成反激变压器; Lr1、Lr2为变压器一次侧漏感和二次侧漏感;Cr1、Cr2分别为主开关管S1、S2的结电容;Cc1、Cc2分别为箝位电容，与箝位开关管S3、S4串联组成箝位电路。
在发电系统能量与蓄电池能量的双向传递过程中，大部分时间工作在能量的正向传递过程，所以，以向蓄电池充电的方向为正[3,4]。
1.2 工作模态分析
进入稳态工作后，以开关管S1和S4的开通为起点。一个周期由十个模态组成，运用十个区间来分析变换器的工作过程，每个区间的参数波形变化如图2所示。
在模态分析之前，需进行假设：分析开始时，变换器进入了稳定工作状态，激励电感Lm上的电流恒为正;箝位电容Cc1和Cc2非常大，开关过程中其两端电压近似不变;电感Lr上储存能量足够大，能够实现开关管S1的零电压导通;电感Lr1、Lr2之值远小于激磁电感值Lm(Lr约为5%~10%的Lm);箝位电容Cc1与电感L1谐振周期要满足关系式：
。
t0~t1：在t0时刻，开关管S1为持续开通状态，开关管S4零电压开通。开关管S2、S3处于关断状态。变压器的激磁电感Lm储存能量，激磁电感Lm的电流线性增加。副边电流给箝位电容Cc2充电，因为Cc2很大，所以两端的电压近似不变，电感Lr2上的电流线性减小。开关管S2的电压被箝位在U2+UCc2。
(1)
t1~t2：在t1时刻，开关管S1和S4关断，原边电流给S1的输出电容Cr1充电，变压器开始放电，副边电流反向给S2的输出电容Cr2放电，这个模态时间很短，所以可以近似认为Cr1的电压线性增加，Cr2上的电压线性减小。
t2~t3：当Cr1电压充电至Uin+Uc1时，原边辅助箝位开关管S3的体二极管导通，原边电流开始给箝位电容Cc1和输出电容Cr1充电，由于Cc1比Cr1大很多，忽略对Cr1的充电。当S3的体二极管导通时，开关管S3的漏源电压UDS被箝位在一个负的体二极管导通电压上，此期间开关管S3开通，可实现S3的零电压开通。这期间Cc1两端的电压上升，Cr2的电压减小。
t3~t4：在t3时刻，当Uc1被充电至Uin+Uc1时，副边开关管S2的体二极管导通，则S2的UDS被箝位在体二极管的导通电压上，此期间开通S2，可以实现S2的零电压开通。
t4~t5：在t4时刻，开关管S2和S3零电压开通，则副边电流从箝位开关管S2的体二极管转移至导电沟道上，S2同步整流。激磁电感电流Lm线性减小，箝位电容Cc1和电感Lr1发生谐振，电感Lr1电流线性减小，箝位电容Cc1的电压增大，因为Cc1电容很大，所以谐振过程中电压近似不变。S1两端电压被箝位在U1+UCc1。
(2)
t5~t6：t5时刻，开关管S2和S3断开，电感Lr1被输出电容Cr1充电，副边电流方向不变，开关管S2的体二极管续流。
t6~t7：t6时刻，原边输出电容Cr1的电压降为0，之后S1的体二极管导通，原边开关管S1的漏源电压UDS被箝位在一个负的体二极管导通的压降值上，原边上的电感Lr1上的反向电流线性减小，副边电感Lr2电流线性减小。
t7~t8：t7时刻起，原边开关管S1零电压开通，变压器原、副边继续换流。当电感Lr1电流和激磁电流相等时，换流结束，S2的体二极管出现反向恢复电流。
t8~t9：这个模态期间，S2的体二极管反向截止，副边电流给输出电容Cr2充电。
t9~t0：t0时刻，输出电容Cr2两端电压被充电至Uc2，辅助开关管S4的体二极管导通，继续给电感Lr2续流，在ir2电流变为0之前开通，都可实现开关管S4的的零电压开通。之后开始重复t0时刻开关周期工作。
2 主要电路参数设计
2.1 零电压开通条件
要实现开关管S1的零电压开通，必须使其在t6~t7之间开通。在t7时刻，电感Lr1的电流变向，重新给Cr1进行充电，S1的DS电压不再为0。因此，开关管S3关断和S1开通之间的最佳延迟时间为谐振电感Lr1和谐振电容Cr1谐振周期的四分之一，因此需要满足关系式：
(3)
此外，在开关管S3关断时刻(t5时刻)电感Lr1的存储能量必须足够大，能够存储Cr1上电荷的完全释放能量，因此，在该时刻满足以下能量关系：
，其中，
。当电感Lr1在S3关断时刻没有存储足够的能量，只能一定程度上降低S1的开通损耗。
2.2 参数设计
2.2.1 主要技术设计指标
本有源箝位反激变换器的设计目标，如表1所示。
2.2.2 变压器的参数设计
变压器在有源箝位反激变换器中充当传输能量的元件，其设计思路和一般反激变换器设计思路一致。输入电压越低，占空比越大，峰值电感电流越大，所要求的励磁电感也越大，所以应在最小输入电压的条件下设计变压器的各项参数。
(1)磁芯材料
参照设计规格中的额定功率和开关频率，本次设计选用PC40磁材，该材料的主要参数如表2所示。
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