基于三半橋拓?fù)涞碾p向DC/DC變換器軟開(kāi)關(guān)條件研究

1 引言

雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量傳遞方向，實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)的直流變換器[1]。多端口雙向DC/DC變換器使多個(gè)電源互連，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)電源之間多個(gè)方向的能量傳輸。三半橋雙向DC/DC變換器是一種新型的三端口變換器，它通過(guò)磁耦合將不同的電源結(jié)合在一起，通過(guò)移相控制實(shí)現(xiàn)同時(shí)或單獨(dú)向負(fù)載供電。該變換器開(kāi)關(guān)管數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。三半橋雙向DC/DC變換器在正向模式下的工作原理和換流過(guò)程與單輸入ZVS雙半橋DC/DC變換器是相似的，但是其軟開(kāi)關(guān)的條件以及影響軟開(kāi)關(guān)的因素都和單輸入ZVS雙半橋DC/DC變換器不同。因此，研究三半橋雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件是十分有意義的。

2 三半橋變換器的工作原理

隔離型三半橋DC/DC變換器的主電路包含兩個(gè)輸入級(jí)組合式升壓半橋電路，一個(gè)三繞組的高頻變壓器，以及一個(gè)輸出級(jí)電壓型半橋電路。將變壓器用其等效模型[2，3]替換，其主電路以原邊為參考的等效電路如圖1所示。

圖1三半橋DC/DC變換器以原邊為參考的等效電路

在正向（Boost）模式下，一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期根據(jù)狀態(tài)的不同可以劃分成t0～t19共19個(gè)工作區(qū)間。這里假設(shè)t1時(shí)刻之前的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S5和S3的反并聯(lián)二極管D5, D3因正向偏置而導(dǎo)通。具體模態(tài)如下。

⑴　 模態(tài)1（t0～t1）

在t1時(shí)刻之前，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)，S1, D5和D3導(dǎo)通，Vcr2=V1+V2電感Ldcl、Ldc2均在釋放能量，兩個(gè)輸入端的電感電流均在線性下降。此階段電容C1經(jīng)S1放電，C2充電，電容C5經(jīng)二極管D5充電，C6放電，原邊所提供的功率除傳遞給負(fù)載外，同時(shí)給電容C3充電。

⑵　模態(tài)2(t1～t2)

t1時(shí)刻S1關(guān)斷，Cr1、Cr2與Tr諧振，Cr1充電，Cr2放電，Vcr2從Vcr2=V1+V2開(kāi)始降低，Vr12＝Vcr2－V2也因此降低，電容Cr1、Cr2的電壓變化率為Vcr2=（V1+V2）－Vr1， 時(shí)刻Vcr2由0開(kāi)始變負(fù)時(shí)，D2開(kāi)始因正偏而導(dǎo)通。原邊電流ir56在正向電壓作用下線性增加，并且由負(fù)變正。

⑶　模態(tài)3 (t2～t3)

t2時(shí)刻D2導(dǎo)通，將S2的端電壓箝位在0，此模態(tài)下任一時(shí)刻內(nèi)給S2加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)S2的零電壓(ZVS)開(kāi)通。原邊電流ir12線性降低，ir56繼續(xù)增加直至t3時(shí)刻。

⑷　模態(tài)4(t3～t4)

t3時(shí)刻，當(dāng)原邊電流ir56大于輸入電感電流idc2時(shí)，開(kāi)關(guān)管S5導(dǎo)通，原邊電流ir56繼續(xù)增加，ir12則繼續(xù)降低，直到t4時(shí)刻ir12=idcl 。

⑸　模態(tài)5(t4～t5)

t4時(shí)刻，當(dāng)原邊電流ir12小于輸入電感電流idcl時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通。在這一階段，ir12繼續(xù)下降至反向變負(fù)。

⑹　模態(tài)6(t5～t6)

t5時(shí)刻S5關(guān)斷，Cr5、Cr6與變壓器Tr漏感諧振。Cr5充電，其電壓不斷升高，Cr6放電，其電壓不斷降低。電壓變化率主要與t5時(shí)刻原邊電流值ir56(t5)有關(guān)。t6時(shí)刻Ｖcr6由0開(kāi)始變負(fù)時(shí)，D6開(kāi)始因正偏而導(dǎo)通。原邊電流ir12繼續(xù)下降，ir56在負(fù)電壓作用下開(kāi)始降低，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性下降。

⑺　模態(tài)7(t6~t7)

t6時(shí)刻D6導(dǎo)通，將S6的端電壓箝位在0。此模態(tài)下任一時(shí)刻內(nèi)給S6加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)S6的零電壓(ZVS)開(kāi)通。副邊電流ir34繼續(xù)降低。

⑻　模態(tài)8(t7～t8)

t7時(shí)刻，副邊電流ir34反向?yàn)樨?fù)，電流由D3換流到S3中，D3阻斷，S3導(dǎo)通。原邊電流ir56繼續(xù)降低，直到t8時(shí)刻ir56= idc2。

⑼ 模態(tài)9（t8～t9）

t8時(shí)刻，當(dāng)原邊電流ir56小于輸入電感電流idc2時(shí)，開(kāi)關(guān)管S6導(dǎo)通。

⑽　模態(tài)10(t9～t10)

t9時(shí)刻S3關(guān)斷，Cr3、Cr4與變壓器Tr漏感諧振，Cr3充電，Cr4放電，充放電電壓變化率與t9時(shí)刻的副邊電流值ir34(t9)有關(guān)。t10時(shí)刻Ｖcr4由0開(kāi)始變負(fù)時(shí)，D4因正偏而導(dǎo)通。原邊電流ir56持續(xù)降低，并開(kāi)始反向變負(fù)。

⑾　模態(tài)11（t10～t11）

t10時(shí)刻D4導(dǎo)通，將S4的端電壓箝位在0。此模態(tài)下任一時(shí)刻內(nèi)給S4加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)S4的零電壓(ZVS)開(kāi)通。

⑿　模態(tài)12(t11～t12)

t11時(shí)刻S2關(guān)斷，Cr1、Cr2與變壓器Tr漏感諧振，Cr2充電，其電壓不斷升高，Cr1放電，其電壓不斷降低，電壓變化率主要與t11時(shí)刻原邊電流值ir12(t11)有關(guān)。t12時(shí)刻
Ｖcr1由0開(kāi)始變負(fù)時(shí)，D1開(kāi)始因正偏而導(dǎo)通。

⒀　模態(tài)13(t12～t13)

t12時(shí)刻D1導(dǎo)通，將S1的端電壓箝位在0，此模態(tài)下任一時(shí)刻內(nèi)給S1加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)S1的ZVS開(kāi)通。原邊電流ir12在正向電壓的作用下線性增長(zhǎng)，并開(kāi)始由負(fù)過(guò)0變正。

⒁ 模態(tài)14(t13～t14)

t13時(shí)刻S6關(guān)斷，Cr5、Cr6與變壓器Tr漏感諧振，Cr6充電，Cr5放電，電壓變化率主要與t13時(shí)刻原邊電流值ir56(t13)有關(guān)。t14時(shí)刻Vcr5由0開(kāi)始變負(fù)時(shí)，D5開(kāi)始因正偏而導(dǎo)通。

⒂　模態(tài)15(t14～t15)

t14時(shí)刻Vcr5＝0，D5正偏導(dǎo)通，將S5端電壓箝位在0。原邊電流ir12繼續(xù)線性增加直至t15時(shí)刻ir12= idc1，ir56在正電壓的作用下也在線性增長(zhǎng)，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性增加。此模態(tài)下任一時(shí)刻內(nèi)給S5加驅(qū)動(dòng)信，即可實(shí)現(xiàn)S5的零電壓(ZVS)開(kāi)通。

⒃　模態(tài)16(t15～t16)

t15時(shí)刻，當(dāng)原邊電流ir12大于輸入電感電流icd1時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通。副邊電流ir34線性增加直至t16時(shí)刻ir34=0。

⒄　模態(tài)17(t16～t17)

t16時(shí)刻，當(dāng)副邊電流ir34由負(fù)過(guò)0時(shí)，電流由D4換流到S4中，S4導(dǎo)通。

⒅　模態(tài)18(t17～t18)

t17時(shí)刻S4關(guān)斷，Cr3、Cr4與變壓器Tr漏感諧振，Cr4充電，其電壓不斷升高，Cr3放電，其電壓不斷降低，電壓變化率主要與t17時(shí)刻副邊電流值ir34(t17)有關(guān)。當(dāng)t18時(shí)刻Cr3端電壓過(guò)0變負(fù)時(shí)，D3自然導(dǎo)通，在t17～t18期間S3可以零電壓開(kāi)通。此后，又回到模態(tài)1，電路又開(kāi)始下一周期的模態(tài)循環(huán)。

根據(jù)以上分析可知，隔離式三半橋ＤＣ/DC變換變壓器原副邊，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電壓電流波形及開(kāi)關(guān)管時(shí)序如圖2所示。

圖2正向模式下電流電壓工作波形以及開(kāi)關(guān)時(shí)序圖

ＤＣ/ＤＣ變換器兩側(cè)條件

三半橋雙向DC/DC變換器在正方向模式下的工作原理，和換流過(guò)程與單輸入ZVS雙半橋雙向DC/DC變換器是相似的[4] 。開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，會(huì)將其中通過(guò)的電流轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的箝位電容中與變壓器漏感諧振，與同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的箝位電容分別進(jìn)行充電和放電，電壓線性上升和下降，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。而零電壓開(kāi)通的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)使已施加正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)管在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)開(kāi)通。

在Boost模式下開(kāi)關(guān)管S4～S6零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）的實(shí)現(xiàn)，與開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前時(shí)刻原副邊電流的狀態(tài)有關(guān)，由其工作原理分析可知，不同時(shí)刻電流要求如式（1）所示。

其中Ø13，Ø53分別為與電源Vin1，Vin2連接的兩個(gè)組合式半橋的范圍內(nèi)[5]。因此，要根據(jù)變換器兩個(gè)輸入級(jí)電路控制變量之間的相互影響，合理選取移相角Ø13，Ø53的值。

5 仿真驗(yàn)證

在進(jìn)行了理論分析后，對(duì)上文三半橋DC/DC變換器在Boost和 Buck兩種工作模式下的軟開(kāi)關(guān)條件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，

圖3 和圖4中，分別顯示了三半橋DC/DC變換器在Boost和Buck兩種工作模式下，低壓側(cè)和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管電壓和電流仿真波形。以Boost模式下低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管S5為例，在S5關(guān)斷前，漏感電流Ir56達(dá)到正向最大值并且大于Idc2，Ids50 ，S5反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，S5關(guān)斷時(shí)Vds5=0，實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。而在S5導(dǎo)通前，Ids5反向小于0，通過(guò)開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，并且在t時(shí)刻，Ids5從二極管換流到開(kāi)關(guān)管S5中，實(shí)現(xiàn)了S5的零電壓導(dǎo)通。同理，在Boost和Buck兩種工作模式下，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管S1、S2、S5、S6和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管S3、S4均能實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷(ZVS)。

圖3　Boost模式下開(kāi)關(guān)管電壓和電流仿真波形

圖4　Buck模式下開(kāi)關(guān)管電壓和電流仿真波形

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三半橋DC/DC變換器在Boost和 Buck兩種工作模式下工作原理的分析，得出了三半橋DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件，并對(duì)軟開(kāi)關(guān)條件的范圍進(jìn)行了分析，得出了影響三半橋DC/DC變換器軟開(kāi)關(guān)條件的因素。

通過(guò)仿真驗(yàn)證，結(jié)論如下：

⑴ 三半橋DC/DC變換器在Boost工作模式下的軟開(kāi)關(guān)條件如式（1）所示。

⑵ 三半橋DC/DC變換器在Buck工作模式下的軟開(kāi)關(guān)條件如式（2）所示。

⑶ 三半橋DC/DC變換器，一個(gè)輸入級(jí)電路開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)條件要受到另一個(gè)輸入級(jí)中控制變量的影響，要根據(jù)變換器兩個(gè)輸入級(jí)電路控制變量之間的相互影響，合理選取移相角的值。

參考文獻(xiàn)

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