一种隔离型双向软开关DC/DC变换器

2008-03-19 17:03:07来源: 清华大学 关键字:DC变换器  软开关  导通  开关元件  开关损耗  ZCS  反向恢复  隔离型  驱动信号

  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。

  过程l1(t10~t11):t10时刻,变压器原边电流ip大于电感电流iL1,S1ZVS开通,DslZCS关断。

  过程12(t11~t12):t11时刻,副边电流is小于电感电流iL2,S3ZVS开通同时Ds3ZCS关断。一个完整的开关周期结束。

  需要特别指出的是:当变换器的负载比较大或输出的电感电流纹波较小时,Ds4导通时间较长,因而S4通常不需要触发。如果选用合适电感L2,Ds4同样可以在零电流的情况下自然关断,这样可以减小反向恢复电流带来的损耗和电磁干扰。

  电路处于反向工作模式时,其开关过程与正向工作模式类似。

  3 试验结果

  为进行实验研究,研制了一台双向DC/DC软开关变换器。试验样机的各项参数如下。

  

  图3、4分别显示了在不同负载下,各开关元件的门极驱动信号和相应的C、E两端电压以及变压器副边的电压波形。通过对波形进行分析,不难发现:在门极驱动信号Vge变正前,开关元件C、E之间电压Vce已经降为零,表明了在不同的负载条件下S1、S2、S3能够实现零电压开通。这主要是因为反并联二极管的预先导通,使即将触发导通的开关元件在得到在门极驱动信号之前,C、E两端电压已经降为零,因此实现了零电压导通。ZVS导通不仅减小了元件的开关损耗,提高了变换器的效率,并且降低了元件承受的电磁应力,保证了开关元件的安全运行,而且还减少了电磁干扰,有利于提高变换器的电磁兼容性。

  4 结 论

本文提出了一种结构对

[1] [2]

关键字:DC变换器  软开关  导通  开关元件  开关损耗  ZCS  反向恢复  隔离型  驱动信号

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0319/article_552.html
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