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带有源和无源缓冲器的隔离双向全桥软开关DC-DC变换器
T.-F. Wu, J.-G. Yang, C.-L. Kuo and S.-Z. Lan
优雅电源应用研究中心(EPARC)
国立中正大学电机工程系，台湾嘉义621
电邮:ieetfwu@ccu.edu.tw电话号码:886-5-2428159;传真886-5-2720862
摘要:本文提出了一种用于电池充放电的具有高效率、高输出功率、软启动和软开关能力的隔离双向全桥软开关DC-DC变换器。采用有源反激电路和两个无源电容二极管缓冲器可以缓解变压器漏感和电流馈电电感之间的电流差引起的电压尖峰，可以减小二极管反向恢复引起的电流尖峰，可以减小电流和电压应力。同时实现了ZVS和ZCS的软开关功能。可提高大功率应用系统的可靠性。本文首先介绍了该变换器的工作原理，然后对该变换器进行了分析和设计。实现了一台1.5 kW的48 V低压360 V高压的模型，实验结果验证了该样机的可行性。
1绪论
在可再生直流供电系统中，通常需要电池作为电子设备的备用电源。电池的电压水平通常比直流母线电压低得多，因此需要电池充电/放电的双向变换器。在大功率应用中，桥式隔离双向变换器在燃料电池系统和电动汽车中得到了广泛的研究和应用。为了提高功率水平，通常采用双全桥拓扑结构 [7]-[15]，其低压测和高压测通常分别采用boost型拓扑和buck型拓扑。然而，由于二极管反向恢复电流和MOSFET漏极电压的存在，器件应力、开关损耗和EMI噪声增大，可靠性较低。更严重的问题是隔离变压器的漏电感，导致开关过渡期间的高电压峰值。一种可能的解决方案是对漏电感重新充电，以提高电流馈电电感的电流水平，这可以减小它们的电流差，进而降低电压峰值。然而，由于当前电平随负载条件而变化，要使开关定时与这两种电流相匹配是很困难的。因此，仍然需要一个无源或有源缓冲电路。
针对隔离变压器电流馈电电感与泄漏电感存在电流差的问题，提出了有源和无源箝位电路来抑制电压峰值[13]-[14]。最简单的方法是使用RCD缓冲器钳住电压，缓冲电容吸收的能量会在电阻上耗散，导致效率降低。文献[13]提出了一种适用于双向变换器的简单有源箝位电路，但是谐振电流通过主开关，这将大大增加电流应力。因此，文献[16]提出了一种具有反激缓冲的隔离双向变换器。反激缓冲器可以在没有电流通过主开关的情况下，吸收储存在电容器中的能量。它还可以通过低压侧变压器钳位电压到一个略高于期望值的电压。由于缓冲电流不通过主开关，因此在大负载条件下可以大大降低电流应力。此外，还可以控制反激缓冲器对高压侧电容进行预充电，以避免启动阶段的涌流。但是，低压侧开关在升压模式下采用硬开关关闭。
为了解决上述限制，本文引入了两种无源电容二极管缓冲器作为有源反激缓冲器的方案。这种缓冲结构不仅可以缓解变压器漏感和电流馈电电感之间的电流差造成的电压尖峰，而且可以减弱主开关在开关转换两种情况下均承受大电流和高压应力的缺点，实现两侧开关接近ZVS和ZCS。
2拓扑
上文提出的具有有源反激和两个无源电容二极管缓冲器的隔离双向软开关DC-DC变换器如图1所示。变换器有两种转换方式:升压转换和降压转换。图1包括电流馈电开关电桥、低压侧有源反激缓冲器、电压馈电开关电桥，以及高压侧的缓冲对。当电源从高压侧流向低压侧时，电感L进行输出滤波，称为降压转换。另一方面，当能量从低压侧转移到高压侧时，它起着升压转换的作用。采用缓冲电容Cs和二极管Dc吸收开关转换过程中隔离变压器Tp中电流馈电电感电流iL和漏感电流iP之间的电流差。反激缓冲电容的作用是将缓冲电容Cs的能量传递给缓冲电容Cb和Chz，使电Vcs电压降至零。因此，开关的电压应力M1 ~ M4，可以限制在一个较低的水平，实现ZCS关闭。该缓冲器的主要优点是没有尖峰电流通过开关，实现了软开关方式。高尖峰电流会导致电荷迁移，过流密度和额外的磁力，会使MOSFET的载流子密度、通道宽度变差，进而增加其导通电阻。升压转换的工作波形如图2所示。
在升压转换中，控制开关M1~M4，体二极管开关采用M5~M8作为整流器。在降压转换中，控制开关M5~M8，开关管的体二极管M1 ~M4作为整流器工作。为了简化稳态分析，我们做了以下几个假设:
(1)各元件均为理想元件。变压器作为一种带漏感的理想的变压器。
(2)电感Lm足够大，在开关周期内保持电流iL恒定。
(3)缓冲电容Cs远大于开关的寄生电容M1-M8
图1一种具有有源反激和两个无源电容二极管缓冲器的双向全桥软开关DC-DC变换器
图2升压转换中的波形。
2.1升压转换
在升压转换中，开关M1~M4像升压变换器一样工作，开关对(M1, M2)和(M3, M4)将能量存储在Lm中。在高压侧，开关管的体二极管D5 ~ D8将将功率传递给VHV。当开关对(M1, M2)和(M3, M4)切换到(M1, M4)或(M2, M3)，电流差ic (= iL -ip)对电容Cs充电，直到ip上升到iL，电容电压Vcs钳位到Vr*(Np/Ns)，实现M2或M4的ZCS关断。同时，高压侧电流is优先通过两个无源电容二极管缓冲器中的一个，在二极管D5或D7导通之前，Cb1或Cb2将完全放电。当开关对(M1, M4)或(M,2 M3)切换回(M1, M2)和(M3, M4)时，开关M2或M4由于漏感L11限制了高压侧二极管反向恢复电流的di/dt，具有近ZCS特性。反激缓冲器工作同时缓冲电容Cs放电, 并将储存的能量传递给缓冲电容Cb1和Cb2。当隔离变压器的漏电感较大时在反激缓冲器作用下, Cs中的能量不会流经开关M1~ M4,从而大大减少开关M1~ M4的电流应力。
图3升压转换的工作方式。
升压过程的波形如图2所示。工作方式如图3所示。
模式1 [t0 lt;tlt;t1]：t0之前，开关管M1~ M4都是打开的。电感Lm由VLV充电。在to时刻，M1、M4处保持导通，而M2、M3保持关闭的。然后，箝位二极管Dc导通，缓冲电容器Cs由电流差ic (=iL(t1)-ip(t1))充电。在这种模式下，反激缓冲器仍然处于关闭状态。等效电路如图3(a)所示。
模式2 [t1lt;tlt;t2]:漏感电流ip开始跟踪电流iL，缓冲电容Cbl开始释放能量。在t2时刻，电流ip等于电流iL。同时，开关M2、M3、电容Cs的电压达到最大值，等效电路如图3(b)所示。因此，在t0到t2的过程中可以实现接近ZCS的软开关
模式3 [t2lt;t lt;t3]:在t3之前，缓冲电容Cb1中储存的能量尚未完全释放。因此，直到Vcs降为零，电容器才会停止放电。等效电路如图3(c)所示。
模式4[t3 lt;tlt;t4]时， Cb中存储的能量完全释放，二极管D5将进行工作。在此间隔内的电路工作模式与传统电流馈电全桥变换器的常规关断状态相同。等效电路如3(d)所示
模式5 [t4lt;tlt;t5]:在t4时，开关M1~M4重新开启，反激缓冲开关Ms同步开启。开关M2和M3，实现ZCS开通软开关功能，电流ip逐渐降为零。在反激阻尼器中，电容Cs中存储的能量将传递给变压器Ts的激磁电感，等效电路如图3(e)所示。
模式6[t5lt;tlt;t6]:在t5时刻，开关Ms关闭，电容器电压Vcs降为零，变压器激磁电感中存储的能量开始通过Db1传输到缓冲电容器Cb1。在此模式下，驱动信号Vgs(Ms)的时间间隔略高于电容Cs的放电时间间隔。其目的是确保储存在电容器Cs中的能量能够完全释放，在下一次关断过渡时创造出ZCS的机会。等效电路如图3(f)所示
模式7 [t6lt;tlt;t7]: t6时刻，变压器Ts激磁电感中存储的能量完全转移到缓冲电容Cb1，等效电路如图3(g)所示。这段时间内的电路工作与传统的电流馈电全桥变换器的常规接通状态相同。在t7时刻停止，完成半开关循环操作。
2.2降压转换
分析中，变压器低压侧漏感反映到高压侧，其中等效电感Leq(=Llh Lll*Ns2/ Np2)。在降压转换中，开关M5 ~ M8 工作类似buck转换器，开关对(M5, M8)和(M6，M7)轮流导通，将能量从VHV传输到VLV。为了减轻漏感对电压尖峰的影响，开关M5~ M8采用移相控制，实现了ZVS的开通。虽然不需要吸收i
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资料编号：[1549]
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