一种隔离型双向软开关DC／DC变换器

作者：时间：2008-03-19来源：网络收藏

　　摘要：针对双向DC／DC变换器存在的开关损耗高等问题，提出了一种新型的隔离型双向软开关DC／DC变换器。该变换器由对称的拓扑结构组成。在电感和变压器漏感的作用下，变换器中的开关元件能够在较大的负载范围内实现零电压开关。同时在脉宽调制的控制下，二极管实现了零电流关断。这些措施减小了开关损耗、电压电流应力以及电磁干扰。分析了工作原理和开关过程，研制了一台500W的试验样机并进行了试验。试验结果证明：在轻载和重载的条件下，所有的开关管都能够零电压导通，同时二极管能够在电流为零(ZCS)的情况下自然关断。

　　关键词：双向DC／DC变换器；隔离型软开关；开关损耗

　　随着功率变换技术的发展，人们对开关电源的性能、重量、体积、效率和可靠性提出了更高的要求，而开关电源的高频化则是使其满足上述要求的一个重要手段，特别是其有助于减小电感、变压器等磁性元件的体积，并改善开关电源的电磁兼容性，因此成为开关电源技术发展的一个重要趋势。但开关元件的开关损耗限制了工作频率的进一步提高，成为制约开关电源高频化的主要因素，所以，开关电源的软开关技术一直是电力电子技术的一个重要研究方向。而双向DC／DC变换器是近年来功率变换的又一个研究热点，它可广泛地应用于电动汽车、分布式发电系统、智能充放电机等方面，具有广阔的应用前景。双向DC／DC变换器不仅可以充当两个不同电压等级电气系统之间的联系桥梁，还能够进行能量调节和管理。由于双向DC／DC变换器具有能量双向流动的特点，因此与单向DC／DC变换器相比，它的拓扑结构有所不同：通常，双向DC／DC变换器的变压器原副边两侧都采用全控元件，元件较多，因而实现软开关的难度更大。

　　本文将Buc-k／Boost电路与半桥电路相结合，提出了一种对称结构的隔离型双向软开关DC／DC变换器。

　　1 原理简介

　　1．1 能量双向流动的原理

　　新型隔离型双向软开关DC／DC变换器的电路结构如图1所示，变压器两侧均采用“半桥”结构，同一桥臂的上下两个功率开关器件S1和S2、S3和S4分别互补导通。当能量由V1侧流向V2侧时，称为正向工作模式，此时由S1、S2组成超前桥臂，S3、S4组成滞后桥臂，即S1的触发脉冲超前于S3的触发脉冲一定角度(移相角)；反之，当能量由V2侧流向V1侧时，称为反向工作模式，相应地，S3、S4组成超前桥臂，S1、S2组成滞后桥臂。以正向工作模式为例，介绍能量的流动过程如下。

　　为简化分析，先假定下列条件：

　　1)所有的开关元件都是理想的；

　　2)电路工作在稳态；

　　3)所有的储能元件都是无损的。

　　从变压器的原边观察，电路类似于Boost电路，通过对S2导通时间(占空比)的调节，可以在a点获得不同的电压。同时利用S1和S2的轮流导通，在变压器原边得到正负交替的电压。而对于变压器副边，利用S3和S4的反并联二极管进行整流，把变压器上的脉冲交流电压整流成直流，并对电容C3、C4充电。在电容C3、C4足够大的情况下，电容上的电压可以认为不变。此时，副边电路的原理与Buck电路类似。

　　能量流动的具体过程如下。

　　S2关断后，变压器原边电路类似于Boost电路的放电状态。电感L1通过Ds1对C1充电，此时S1可以实现零电压导通。随着变压器原边电流逐渐上升，充电电流减小。当电流减小至零并改变方向时，S1导通，输入电流iL1流经漏感Lσ1、原边线圈对C2充电，同时C1通过S1、Lσ1、原边线圈构成的回路放电。此时，变压器原边电压的极性为上正下负，同时原边电流ip从同名端流入，电压与电流为“关联方向”，因而由V1输出的能量传递到变压器中。相应地，此时变压器副边反并联二极管DS3处于导通状态，副边电流is一部分流经L2、负载(V2侧)使C4放电，另一部分通过Ds3对C3充电。变压器副边电压极性为上正下负，is从同名端流出，电压、电流为“反关联方向”，因此能量由变压器传递到V2侧。

　　当原边S2导通时，由V1、L1、S2组成的回路对L1充电，iL1缓慢上升，同时C2通过变压器原边线圈、Lσ1、S2组成的回路放电。变压器原边电压极性为上负下正，且ip从同名端流出。此时副边Ds4导通，is流经Ds4、副边线圈对C4充电，同时电感L2通过负载、Ds4放电。变压器副边电压极性为上负下正，is从同名端流入，在此期间V1侧输出能量，V2侧输入能量。

　　由于拓扑结构在变压器两侧完全对称，因此变换器工作在反向模式时，工作原理以及能量的流动过程与上述过程类似。

　　1．2 软开关的实现

　　正向工作模式下，一个完整的开关周期中的主要原理波形如图2所示。在开关元件并联结电容与并联电容的作用下，即将关断的开关元件上的电压不能发生突变，因此开关元件可以认为在零电压的情况下关断。由于同一桥臂上下两个脉冲之间的间隔很小，利用电感和结电容的谐振，使即将导通的开关元件的结电容放电，当结电容两端的电压为零时，反并联二极管承受正向电压而导通，从而为开关元件的零电压导通创造了条件。与移相全桥电路相比，由于变压器副边不存在占空比丢失，副边电感L2参与谐振，因此滞后桥臂也可以在较大负载范围内实现零电压导通。与上述开关过程类似，变压器副边的S3和S4也是利用各自的反并联二极管的导通实现零电压开通，S3和S4的开通主要是为减小反并联二极管Ds3和Ds4反向恢复引起的损耗以及电磁干扰。以S3为例：反并联二极管Ds3导通后，S3可以在零电压的条件下开通，更为重要的是Ds3中的电流会逐渐减少至零，电流转移到S3中，Ds3实现软关断(ZCS)，从而减少了Ds3关断过程中反向恢复带来的影响。由于这种拓扑结构的DC／DC变换器在变压器两侧完全对称，因此能量双向流动时的软开关条件相同。本文中的实验结果是在负载为电阻的情况下得到的。如果负载为蓄电池等电源，仿真结果证明软开关特性保持不变。

　　2 开关过程分析

　　以正向工作模式为例，一个完整的开关周期可分为12个开关过程，如图3所示，to时刻前S1和S2导通。

　　过程1(to～t1)：to时刻，S1关断。由于电容Cs1的作用，S1在零电压(ZVS)下关断。在变压器漏感Lσ1的作用下，变压器原边电流ip继续按原方向流动，给Cs1充电，同时Cs2放电。

　　过程2(t1～t2)：t1时刻，S3关断，由于Cs3的作用S3ZVS关断。此时Cs3充电，Cs4放电。

　　过程3(t2～t3)：t2时刻，Cs2两端的电压降为零，Ds2正偏导通，为S2的导通创造了ZVS条件。此时，流经电感L1的电流iL1增长而ip逐渐下降，但ip仍然大于iL1变压器副边电压极性保持不变，为维持整个回路的电压和为零，Lσ1上承受的电压是变压器原边电压与C2上的电压之和。

　　过程4(t3～t4)：t3时刻，Cs4两端的电压降至零，Ds4导通，此时S4可在ZVS条件下导通。此时，变压器副边电压极性改变，电感电流iL2开始下降。

　　过程5(t4～t5)：t4时刻，电感电流iL1大于变压器原边电流ip，S2ZVS导通，Ds2零电流(ZCS)关断。当ip(或iL2)降至零时，电流方向改变。

　　过程6(t5～t6)：t5时刻，iL2大于变压器副边电流is，S4ZVS导通，Ds4ZCS关断。

　　过程7(t6～t7)：t6时刻，S2在Cs2的作用下ZVS关断，Cs2开始充电而Cs1放电。

　　过程8(t7～t8)：t7时刻，S4ZVS关断。Cs4充电，Cs3放电。

　　过程9(t8～t9)：t8时刻，Cs1两端的电压降为零，Ds1导通，为S1的ZVS导通创造条件。此阶段iL1下降而iu上升。

　　过程1O(t9～t10)：t9时刻，Cs3两端电压降为零，Ds3导通，此时S3可以实现ZVS开通。变压器副边电压极性再次发生改变，且iL2开始增长。当iL2(或ip)增至零时，电流再次改变方向。