（电力电子与电力传动专业论文）若干中小功率软开关dcdc变流器的柔性变拓扑研究.pdf

a b s t r a c t u n d e rt 1 1 ed e v e l o p m e n tt r e n do fp o 、e re l e c t r o i l i c ss y 啦mi n t e g r a t i o n ( p e s i ) ，r e s e a r c ho n t l l ee s t a b l i s h m e n to fs t a n 出【r dp o w e r m o d u l e s ( s p m ) a sw e n a sd e v e l o p m e mo fi t su m v e r s a l i 哆 a n dv e r s a t i l i t ) ，i so n eo ft h ei m p o r t a m 、) r o f k so fp o w e re l e c 仃o i l i c s i no r d e rt o 氕m d 锄e n t a l l y i 1 1 1 p r o v et l l ep e r f o m a l l c eo fs p m ，e x p a r l di t ss c o p eo fa p p l i c a t i o i l ，m ep o w e re l e c 仃o i l i c s t o p o l o g 蜘w 1 1 i c hi s t 1 1 ec o r eo ft l l es p m ，s h o u l db es c u d i e di 1 1 - d e p 也t 0 o p t i m i z i n g 诋 p e r f 0 r i n a i l c e i i lt l l i sb a c k g r o u n 也t h ep a p e rf o c u s e do ns t u d y i i l gt h ei s o l a t e ds m a l lt om e d i 啪p o w e rl e v e l d c d ct o p o l o g i e s ：f l y b a c kf o r w a r da n df l y b a c k f o r w a r dt o p o l o g i e s t h em o d e st or e a l i z e s o r - s w i t c h i n g ，b r o a d e ni n p u t 砌g e ，a sw e na st 1 1 ew a yt oo p t i m i z ee 伍c i e n c yu n d e rt h ee n t i r e i 1 1 p u tr a i l g ew e r ed i s c u s s e d i i lt l l ea s p e c to fs o r s v 以t c l l i n g ，a c t i v ec l 锄p e ds o r s 、析t c l l i n g t e c l l i l o l o g yw 镐s e l e c t e dt ob et 1 1 ea s c e n d a mm e t h o d ，、) l ，! 址c hh 髓g o o dp e r f o 珈n c ew h e n a p p l y i n g i l ln y b a c k ，f o r w a 耐a l l dn y b a c k - f o 刑a r dt o p o l o g i e s a c t i v ec l a m p e d ( h l a l s w i t c h f l y b a c kt o p o l o g ) ra 1 1 da c t i v ec l a m p e dd u a l - s 埘t c hn y b a c k - f o n a r dt o p o l o g yw e r ep r o p o s e df o r h i 曲v o l t a g ei n p u ta p p l i c a t i o i l s 1 1 1 ed e 诅i l e do p e r a t i o np r i n c i p l e s ，c h 觚屺t 耐s t i c sa i l dd e s i 印 c o n d i t i o n sw e r ea l s op r e s e n t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v es h o w nt l l a ta c t i v ec 1 锄p e di sa i l e 疵c t i v ew a yi ns 0 r s w i t c 衄培a c l l i e v i l l g 觚de 伍c i e n c yu p g r a d i i l gf o rt o p o l o g i e so fn y b a c k ， f o n a r da n dn y b a c k f i o r w 2 帕 b a s e do nt h e s ea c t i v ec l 锄p e dd c d ct o p o l o g i e s ，c o 丌e s p o n d i n gv 撕a b l et o p 0 1 0 9 y f l e x i b l ec o n v e r t e r s t f c ) 、) 他r ep r o p o s e d ，m e ya r e ：n y b a c kv t f cw 油a c t i v ec l a i 】叩e d s i n g l e s 晰t c hn y b a c kt o p o l o g ) ra n da s y n 姗e t r i c a lh 2 l l f 二晰d g en y b a c kt o p o l o g yc o m b i n e d ； f - o r 啪r dv t f c 嘶t l la c t i v e c l 锄p e ds i n g l e s w i t c h f o 刑a r d t o p o l o g ) ，a i l da s y h u i l e t r i c a l h a l 仙r i d g ef o r 啪坩t o p o l o g ) ，c o m b i n e d ；a c t i v ec l 锄p e dd u a l s 、) l ，i t c hf l y b a c k - f o n v a dv t f c 丽t 1 1 如l lb 打d g ea i l dc 唧r e n t - d o u b l er e c t i f i e rs t m c t u r ec o m b i n e d 1 1 1 es u p e r i o r i t ) ，o fv t f c ，a sw e l la s d e t a i l e dd e s i g nm 砒o d sa i l d s l l i r i n gc o n 仃o ls 仃a t e g yw e r ed i s c u s s e d a n dp r o t o t y p e sw e r e d e s i g n e dt 0v e r i 匆m e 晰d ei n p u tm g e c h a r a c t e r i s t i c ，t l l ei m p r o v e m e n to fe 仿c i e n c yu n d e rt h e 甜li 1 1 p u tm g ea i l dt h ef e a s i b i l i 够o ft o p o l o g i e s 仃a n s f o 衄a t i o n k e yw b r d ：a c t i v ec l 舭1 p e d ；s o r s w i t c h i n g ；v a r i a b l et o p o l o g yf l e x i b l ec o n v e n e r ( v t f c ) i i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江基堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月同 新虢匕嚼 t 签字日期：1 矽f o 年弓月9 日 致谢 致谢 本论文是在导师吕征宇教授的悉心指导下完成的。在硕士阶段的学习生活中，导师渊 博深厚的学识、一丝不苟的治学态度和兢兢业业的工作作风使我受益匪浅，对我的学习研 究工作产生了巨大的影响。在即将毕业之际，衷心感谢吕征宇教授的谆谆教导和深切的关 怀。 感谢师兄陈威博士对我的学术指导，在他的指导和督促下我学习到了丰富的电源知识 和科研技能，并养成了良好的科研习惯，为后续的研究工作打下了坚实的基础。在此向陈 威师兄表示真诚的感谢和由衷的敬意。 感谢曾经共同工作于一个实验室的师兄张伟硕士，张波硕士和师姐邓佳佳硕士对我学 习上的指导和生活上的关心，很怀念和你们一起在实验室的日子。 感谢姚文熙副教授，以及张晓峰博士，杭丽君博士，洪小圆博士，瞿博博士，姜礼节 博士，蔡卓键博士等师兄师姐们给予我的帮助和鼓励。尤其是师兄张晓峰博士在我找工作 期间，耐心给我讲述的其经验心得并给予建议，使我受益良多。 感谢邓哲博士，在我学习工作遇到困难时和我一起探讨解决途径，并且在变拓扑柔性 变流器的研究工作中给予我数字控制上的支持和帮助。 感谢曾经共事过的实验窒集体其他成员们，他们是谢颖婷博士，袁姜伟硕士，王凯博 士，陈申硕士，张雪学士等，大家相互探讨，共同成长。 感谢我的同窗学友们：范玲丽，俞宏霞，谢建宇，黄杰，吴小康等，感谢曾经给予我 关心和帮助的所有老师，朋友和同学。 感谢我的父母给予我生活上的关爱和学业上的支持，你们永远是我最亲爱的人。 戎萍 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 现代电力电子技术随着电力电子器件的诞生而诞生，并随着半导体工艺的发展而发 展。半导体工艺的进步使基于开关器件电力电子技术日趋于成熟，如半导体功率开关的控 制、驱动、电路保护、同步整流技术等，使得电力电子装置的可靠性和效率大大地得到了 提高。然而市场上多样化的产品需求以及电力电子产业客制化的生产模式使得电力电子装 置的生产的具有周期长，劳动力投入大，制作成本高的缺点。一个成熟的电力电子产品开 发包含着多方面的内容：主功率电路设计，控制电路设计，机械结构设计，热设计，电磁 兼容设计等。因此电力电子产品生产成本高和产品多元化需求制约了电力电子产业的进一 步发展。为了在满足市场产品需求的前提下，缩短产品开发周期，降低成本，电力电子产 业正逐步向系统集成的方向发展【l 一钉。 电力电子系统集成分为两个层面，一是底层变流器的模块化和标准化，即标准电源模 块的集成。二是基于标准电源模块的电源系统的集成【5 羽。电力电子标准模块是一个高度 集成的，具有特定电能处理功能的模块，它是电力电子系统集成的重要基石和必要步骤， 应具有普适性、通用性和可扩展性，具有集成度高，性价比高的优点。对这些标准电源模 块进行系统的集成和扩展即可成为符合客户需要的电力电子应用系统。 标准电源模块尽管是功能完备、高度集成的系统性的个体，但是它的开发还是以高性 能的电力电子拓扑为起点。拓扑的选择和优化对于标准电源模块整体性能的提高具有至关 重要的影响。 1 2 直流交流器拓扑的软开关技术 随着半导体器件开关速度的增加，电力电子变流器是正逐步向高频化，小型化，集成 化，高效率，低成本方向发展。高频化是小型化和集成化的基础。目前开关电源的开关频 率已达到了m h z 级别，高速的开关频率使得半导体器件由硬开关引起的开关损耗大大增 加，阻碍了变流器效率的进一步提升、增加了电路热设计的难度，而且高的d i d t 和d v m 会产生严重的电磁干扰( e m i ) 。当开关管进行硬开关时，其开关损耗和开关频率成正比， 浙江大学硕士学位论文 可近似地如式( 1 1 ) 所示【5 1 。 11 = 吃l 厂( + f 厂) + 专乙玩2 ( 1 1 ) o二 其中v d s 代表开关管开通前或关断后的电压；i d s 代表开关开通后或关断前的电流；t f 和t f 分别表示开关的开通时间和关断时间；f 为开关频率；c 。则是开关管的寄生电容。为 了提高开关频率同时提高变流器的效率，必须降低开关损耗，由此软开关技术应运而生。 软开关技术是利用电感电容的谐振以改变开关管在开关时的电压电流轨迹从而达到而降 低开关损耗，改善开关环境的目的。直流开关电源的实用软开关技术一般可以分为零电压 开通( z v s ) 和零电流关断( z c s ) 两类，z v s 开通一般应用于半导体开关器件的容性开通( 如 m o s f e t ) ，z c s 关断一般用于半导体开关器件的感性关断( 如i g b t ，功率二极管等) 。软 开关技术的实现方式多种多样，很多学者对此展开了深入的研究，并提出了大量有针对性 的软开关方案f 7 以9 】。总体来说软开关的实现方式一般可归纳为以下几类： ( 一) 采用调频( f m ) 控制的全谐振变流器和准谐振软开关交流器。全谐振变流器最早提 出于2 0 世纪7 0 年代。其谐振元件在整个开关周期都参与谐振，并参与功率变换，变流器 通过调节开关频率来控制输出电压( 如l l c 谐振变流器，l c c 谐振变流器等) 。此类变流 器无需外加辅助支路即可实现软开关，软开关实现方式简单，而缺点该类变流器对负载的 变化较为敏感。 准谐振变流器是在2 0 世纪8 0 年代初由李泽元教授等研究人员提出的一种软开关技 术。其特点是在功率开关管周围增加谐振元件根据开关管和谐振电感谐振电容的不同组合 形成一系列谐振软开关，可分为零电压谐振开关和零电流谐振开关。和全谐振变流器相比， 准谐振变流器减少了无功功率的交换，但是其谐振周期仍随输入电压及负载的变化而变 化。这种调频控制的软开关实现方式不利于磁性元件以及滤波器的设计优化。 ( 二) 采用脉宽调制方式( p w m ) 控制的软开关变流器。它是在准谐振变流器的基础上附 加了一个开关管来控制谐振元件的能量转换以实现恒定的频率控制，可分为零开关p w m 变流器( z v s z c sp w m 交流器) 和零转换p w m 变流器( z v t z c tp w m 变流器) 。零开关 p w m 变流器有电感串联于主功率回路上，因此谐振网络并不是独立的，而是与主功率回 路相关联；而零转换p w m 变流器的谐振网络辅助回路一般与开关管并联，只在开关管开 关前后一段时间工作，从而减小了电路损耗。图1 1 给出了z v sp w m 变流器和z v t p w m 变流器的一般框图架构。z v sp w m 变流器的电感串联于主功率回路中，辅助支路与主功 率回路并联；z v t p w m 变流器的电感与脱离了主功率回路，与辅助支路一起并联于主功 2 浙江大学硕士学位论文 率回路。在辅助支路中包含有辅助的开关管以控制能量的流动。这两种零电压开通的实现 方式的基本原理是一致的，都是利用一小电感与开关管串联，并利用辅助支路与电感进行 能量交换使电感在开关管开通前具有一定的能量以抽取开关管寄生电容上的电荷使开关 管电压下降为零，从而实现零电压开通。 障。 ( a ) z v sp w m 交流器( b ) z v t p w m 变流器 图1 1 可实现零电压开通的两种p w m 变流器的架构 软开关的实施使得变流器的性能大大改善，是模块电源向高频化小型化发展的技术保 1 3 直流交流器拓扑的输入电压范围拓展技术 基于标准电源模块普适性、通用性的要求，构成标准电源模块的直流变流器拓扑应具 备较强的增益调节范围，能在一个较宽的输入电压范围内工作以兼容不同的母线电压标 准。对于调频控制的直流变流器拓扑，其增益可调节范围受到变流器的谐振网络以及负载 特性限制2 6 。5 1 ，且当调频范围太宽的时候，不利于磁性元器件的优化设计。对于p w m 直 流变流器拓扑，其增益可调节范围取决于：( a ) 变流器自身的增益和占空比d 的关系；( b ) 变流器可工作的占空比的范围。 变流器的增益和占空比的关系是变流器内部特性，一般p w m 直流变流器具有以下几 种情况：m 1 _ d ；m 2 = d ( 1 d ) ；m 3 = 1 “1 d ) ；m 4 = d ( 1 d ) 。图1 2 给出了这几种增益关系随 占空比的变化曲线。可以看到增益可调节范围( 输入电压可调节范围) 从大到小依次为 m 2 m 3 m l m 4 。因此从增益特性看，反激变流器和b u c k b o o s t 变流器最适合宽范围 输入的应用场合。 即使不考虑开关管的工作环境和变流器的效率，也不是每个变流器都可以工作在o l 浙江大学硕士学位论文 的占空比变化范围内，例如传统双管正激变流器和传统双管反激变流器由于磁复位的需 要，变流器只能在5 的占空比范围内工作【2 3 。2 5 】。对于这些占空比受限的变流器拓扑， 通过改进电路结构，如改进变压器或电感的复位方式，可以使占空比拓展到0 5 以上，已 有许多学者对这方面进行了有意义的研究工作【1 9 之5 1 。通过拓展占空比可大大拓宽变流器的 输入电压应用范围。 m d 图1 2 增益随占空比的变化曲线 虽然选择增益调节能力大的变流器拓扑并拓展其占空比变化范围至叽l ，可以大大增 强变流器对输入电压的调节能力。但是在实际情况中，当变流器工作在大占空比变化范围 内，虽然其输入电压范围可以达到很宽的水平，但是变流器的效率将难以在全电压范围内 得到优化。这是因为当变流器工作在极限占空比( 占空比非常大或非常小) 时，其工作效率 是非常低的： ( 1 )当变流器工作在极限占空比时半导体开关器件的损耗变大，从而导致变流器的效率 变低。以b u c k 电路的斩波管为例，当输入电压很高，占空比d 很小，峰值电流 将急剧升高，使得开关损耗大大增加。而当输入电压很低时，占空比很大，在功率 一定的情况下，导通电流较大而使得开关管的导通损耗增加，同样不利于效率的提 高。 ( 2 ) 另一方面，为了兼容高输入电压和低输入电压，变流器的器件需要同时具备高耐压 能力和大通流能力。高耐压的开关管的导通电阻i k 往往比具有相同额定电流的 低压开关管高，而具有相同耐压规格的开关管，其可承受的电流应力越大，其寄生 电容越大，开关性能越差。因此当变流器工作在高输入电压下，不但开关管的通流 能力留有较大裕量，而且开关性能差导致高压下开关损耗很大；当变流器工作在低 压大电流时，高耐压器件就显得电压裕量过剩，而且由于导通电阻大使得开关管的 4 浙江大学硕士学位论文 导通损耗大。 从以上分析可见，单一拓扑结构的变流器在输入电压范围的拓展上具有一定的局限 性。为了进一步拓宽变流器的输入电压可调节范围，并在整个输入电压范围内得以效率优 化，可采用变拓扑柔性变流器这一思想。 1 4 变拓扑柔性变流器简介 变拓扑柔性变流器的主要思想是当变流器的工作电压范围很宽时，可根据实际情况将 输入电压范围划分为若干子电压区间，每个区间范围内选择一种相应的拓扑结构，称为子 拓扑，这些子拓扑在其各自的输入电压范围内具有最优的工作性能。子拓扑的选择不是随 意的，必须立足于整体满足以下的要求：( a ) 子拓扑必须具有相同数目的各类器件，即各个 子拓扑之间具备器件复用功能( b ) 子拓扑中的各个器件具有相似的电压应力和电流应力； ( c ) 各个器件具备相同的控制手段和保护措施。简而言之，各个子拓扑之间的区别仅仅在于 电路连接方式的不同，它是输入电压区间和连接方式的映射而不是传统的输入电压区间和 不同标准模块的映射如图1 3 所示。图1 3 ( b ) 显示了变拓扑柔性变流器的结构。它和图1 3 ( a ) 的宽范围输入解决方案相比具有更低的成本和更小的功率密度。 _ 1 电压区间1h 拓扑1 一电压区闻2 卜- _ 1 拓扑2 一电压区问n 卜_ 1 拓扑n 图1 3 宽范围电压输入解决方案 在宽范围输入的应用场合中，变拓扑柔性变流器一般可由数字控制技术监测输入电压 值，并判断此时的输入电压落在哪个子电压区间内，并相应地判断内部电路要何种拓扑形 式，是否需要切换。当输入电压从一个区间跳至另一个区间时，变拓扑柔性交流器通过一 系列的内部切换开关的转换来完成子拓扑之间的切换。子电路拓扑之间的切换电路和切换 控制方式需尽可能简单，从而保证变拓扑变流器的实用性和优越性。将变拓扑柔性变流器 s 浙江大学硕士学位论文 的概念应用于宽范围输入的场合的优势在于： ( 1 ) 变拓扑柔性变流器技术简化标准电源模块的多样性，扩大了其应用范围。只用一个 电路的器件数量，通过改变连接方式，就可以以不同的拓扑结构适应不同输入电压范围等 级，有利于降低的体积和成本。 ( 2 ) 相比于单一结构的传统范围输入的变流器，变拓扑柔性变流器改善了高输入电压时 和低压大电流时的变流器效率下跌问题。 ( 3 ) 变拓扑柔性变流器技术提升了其功率密度和集成度，减少了标准电源模块的复杂 度，更可简化设计流程，减少入力资源和物力资源的投入，从而使电源标准模块的更具市 场竞争力。 变拓扑柔性交流器思想不仅适用于宽范围输入场合的拓扑效率优化，同样也适合宽输 出范围场合的拓扑效率优化，是实现高性能，通用性强的标准模块电源的有效技术途径。 交拓扑柔性变流器的研究才剐刚起步，国内外鲜有研究报道。文献 5 】最早提出变拓扑 柔性变流器的思想和应用个例，他考察了具有相同元器件却具有不同增益的拓扑子集，并 初步提出了变拓扑柔性变流器的构成方案。文献 3 6 】则较为系统地提出了变拓扑柔性交流 器较为完备的概念和技术分类，并系统地研究了拓扑寻求、拓扑组成、拓扑切换、拓扑兼 容，以及拓扑联系、构成范式、切换策略等一系列方法和准则。 1 5 本文的选题意义和研究内容 1 5 1 选题意义和背景 中小功率直流变流器具宽广的市场和多样化的应用环境，在网络通信、数据处理、军 事医疗等领域都有广泛的应用。如小型医疗器械电源、适配器电源、部分导轨电源、液晶 电视电源等主流中小功率a c d c 变流器一般由前级p f c 电路和后级d c d c 电路构成， 功率从几十瓦到几百瓦不等【5 1 ；另外还有服务器电源和通信电源等分布武供电系统中的一 次电源也是d c d c 变流器，功率在几百瓦到几千瓦之间。若能兼容不同的母线电压标准、 不同的国家电网标准以及单相和三相电压，创造通用性强的中小功率等级的标准电源模块 可大大减少产品种类，缩短设计周期，减少研发成本，同时可将富余的时间、人力、物力 资源转移至提高电力电子产品系统的整体性能上，从而使产品更具价格优势和性能优势。 本课题是国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 7 0 6 3 ) “变拓扑柔性变流器理论”的一部分，以 中小功率标准模块的普适性通用性为目标着重研究中小功率隔离型d c d c 变流器的拓扑 6 浙江大学硕士学位论文 优化和其变拓扑柔性变流器的拓扑设计和实现，以创造高效率，宽输入电压调节范围的中 小功率标准模块的优选拓扑。 1 5 2 课题研究的主要内容 在小功率的应用场合，着重研究了拓扑结构简单，可调节增益范围宽的反激变流器拓 扑。针对其缺点和众多的解决方案优选了有源箝位反激变流器为研究对象。在单管有源箝 位反激变流器的基础上提出了适合于高压应用场合的以有源箝位双管反激变流器为代表 的双管反激变流器拓扑族，并对它们的特性做了详细的比较分析。针对宽范围输入和高效 率要求的应用场合，提出了以有源箝位反激变流器和不对称半桥反激变流器相结合的反激 式变拓扑柔性变流器，并详细介绍了其设计方法，拓扑切换策略，最后以一台l o o v 4 0 0 v 的样机验证了理论的正确性和变拓扑反激柔性变流器的可行性。此外，借鉴将反激式变拓 扑柔性变流器的构成方式，提出了变拓扑正激柔性变流器的拓扑构成方式。 在中小功率应用场合，本人和师兄陈威博士合作，共同研究了性能优越的有源箝位双 管正反激软开关变流器，并利用其副边整流结构的多样性，提出了全桥整流和倍流整流相 结合的变拓扑有源箝位双管正反激柔性变流器的拓扑架构和最简子拓扑切换实现电路。设 计了2 0 0 v 4 0 0 v 输入，4 8 v 5 a 输出的全桥整流有源箝位双管正反激变流器样机以及 3 0 0 v 0 0 0 v 输入，4 8 v 5 a 输出的倍流整流有源箝位双管正反激变流器样机验证了其软开 关特性和采用子拓扑结合的方式所得到的高输入电压下效率优化。在此基础上，本人又详 细研究了该柔性变流器的整体设计以及安全有效的子拓扑切换策略。根据理论分析成果， 将变拓扑有源箝位双管正反激变流器的子拓扑通过切换开关继电器相关联，并辅以数字化 控制，实现了其子拓扑的安全切换。 最后对本课题的研究工作做了总结并对进一步的研究做了展望。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章反激变流器软开关拓扑及其变拓扑柔性变流器 2 1 反激变流器的宽范围特性和软开关特性 传统的反激d c d c 变流器具有拓扑结构简单、成本低廉、输入输出电气隔离等优点 而广泛用于中小功率电源、辅助电源、多路输出机内电源中。反激变流器的输入输出增益 特性满足d ( 1 d ) 关系，且其占空比可大于5 0 ，因此较正激变流器等其它隔离型拓扑来 说，反激变流器更适合于应用在宽范围输入的场合。然而传统的反激变流器具有一定的局 限性，其开关管的电压应力较大，且变压器利用率低，漏感的存在会使开关管关断时产生 很高的电压尖峰，一般需要在开关管漏源两端并联吸收缓冲电路【3 7 。9 】，增加了电路的损耗， 因此传统反激变流器的效率并不高。 基于这个缺点，国内外学者提出了一系列方法【3 8 删来解决漏感能量的无损转移和开 关管电压尖峰的抑制问题，r c d 【4 5 4 7 】箝位反激变流器电路拓扑结构简单，成本低廉，易于 工程实现，但变换效率低下；l c d 箝位反激变流器能将漏感能量无损地回馈于电网或负 载中，但高频时具有较大谐振电流，增加了开关管的导通损耗，一般适用于开关频率不 太高的场合。准谐振反激变流器虽然具有较高的效率，但其开关管电压应力高，控制复杂， 且变频控制不利于滤波器的优化设计。综合来看有源箝位方式是比较有效的解决方案。有 源箝位反激变流器具有以下优点：( 1 ) 实现了原边主开关管和辅开关管的零电压开通；( 2 ) 使副边二极管的电流下降斜率d i d t 变缓，减小了二极管的损耗；( 3 ) 充分利用了变压器漏 感的能量来实现电路的软开关；( 4 ) 恒频率控制，控制方式简单便宜。将有源箝位软开关技 术应用于反激变流器，得到了如图2 1 ( a ) 所示的有源箝位反激变流器。 ( a ) 有源箝位反激变流器( b ) 谐振复位反激变流器 图2 1 反激变流器的改进方案 浙江大学硕士学位论文 谐振复位的软开关方式，也是一种较为有效的软开关实现方式【2 0 2 2 】，应用于反激变流 器时如图2 1 ) 所示，其拓扑结构较有源箝位反激变流器复杂，但这种反激变流器也具有 上述4 个优点。无论是有源箝位方式还是谐振复位方式，它们的共同特点都是在主开关管 关断的时候，漏感通过辅助支路进行能量的二次交换，使漏感电流在主开关管开通前反向， 然后作用于开关管的寄生电容，以达到在主开关驱动信号来临之前漏源电压下降为零的目 的，从而实现软开关。 为了适用于输入电压较高的应用场合，双管反激变流器应运而生。传统双管反激变流 器，如图2 2 所示，是针对在输入电压较高的场合，单管反激变流器开关管应力太大而提 出来的，其主开关管的电压应力较小，均为输入电压。然而该变流器具有占空比不能大于 5 0 的缺点。在( 1 d ) t s 阶段，二极管d l ，d 2 对变压器漏感进行箝位，漏感必须在( 1 d ) t s 内完全复位，达到伏秒平衡，即有 最d ( 帅忡d ) - 哪加) 一鼍”d ) ( 2 1 ) 容易推出d 5 5 0 ，也就是说传统双管反激变流器在宽范围应用场合具有一定的局限 性，此外传统双管反激的开关管是硬开通的。针对传统反激变流器占空比受限于5 0 的缺 点，有学者提出了改进型的双管反激变流器【2 抛5 1 ，如图2 3 。它们可以工作在占空比大于 5 0 的情况，其缺点是漏感能量没有做到无损回馈，且它们的开关管仍没有实现软开关。 图2 2 传统双管反激变流器 图2 3 两种改进型双管反激变流器 9 浙江大学硕士学位论文 将有源箝位方式和谐振复位方式应用于双管反激变流器，并根据辅助支路的位置不 同，可以得到一族新型的宽范围输入的双管反激软开关变流器，如图2 4 ( a q ) 所示，它们 分别是：( a ) 输入电压与电路磁复位无关的有源箝位双管反激变流器( a c t i v ec l 锄p e d 晰t l l o u ti n p u ti n v o l v e d ) 一a c o i ；( b ) 输入电压与电路磁复位无关的谐振复位型双管反激变 流器( r e s o n a l l tr e s e t 诵t h o u ti n p u ti n v o l v e d ) 一i 汛o i ；( c ) 输入电压部分参与电路磁复位的有 源箝位双管反激变流器( a c t i v ec l 锄p e dw 池p a r t i a li n p u ti i o l v e d ) 一a c w p i ；( d ) 输入电压 部分参与电路磁复位的谐振复位型双管反激变流器( r e s o n 锄tr e s e t 谢mp a n i a li n p u t i n v o l v e d ) 一砌w p i 。该双管反激拓扑族中的拓扑都具有以下的优点：( 1 ) 实现了主开关管 和辅开关管的零电压开通；( 2 ) 占空比可拓宽至5 0 以上；( 3 ) 使副边二极管的电流下降 斜率d i m 变缓，减小了二极管的损耗；( 4 ) 充分利用了变压器漏感的能量来实现电路的软 开关。因此它们可以应用于高效率，高输入电压，宽范围输入的小功率应用场合。 ( a ) a c o i( b ) r r o i ( c ) a c w p i( d ) 砌w p i 图2 4 双管反激软开关变流器拓扑族 有源箝位技术和谐振复位技术同样可用于正激变流器，它能使励磁电感有效复位并实 现软开关，还可实现占空比的拓展和变压器的优化。形式多样的有源箝位正激拓扑以及有 浙江大学硕士学位论文 源箝位双管正激拓扑、谐振复位双管正激拓扑等已有学者进行了广泛的研究【盯回。 2 1 1 有源箝位双管反激变流器( a c o i ) 对于有源箝位单管反激电路，已经较多的学者加以研究【舭1 1 ，因此关于其具体的工作 原理不再赘述。在此以本文所提出的有源箝位双管反激a c o i 为例，拓扑结构见图2 4 ( a ) ， 具体介绍有源箝位软开管的实现方式和电路的稳态特性。 ( 一) a c o l 的具体工作原理 a c o i 双管反激变流器的拓扑结构见图2 4 ( a ) ，其中& 、& 是主开关管，岛为辅开 关管，c 吲、c 艘、c o 鸱分别为开关管& 、& 、s 3 的寄生输出电容。l m 为变压器的励磁电 感，l ，既可以是外加小电感，也可以作为漏感集成于变压器中。c c 为箝位电容，二极管 d 。是箝位二极管，用于将开关管& 的电压应力箝位至输入电压。各个开关管的驱动信号 以及电路中主要元器件的波形如图2 5 所示。在实际情况中，死区时间非常短暂，但为了 更清楚地表述工作过程而把在图中它们画得比较夸大。 t t t i 。鬟 t 一 ! 、 i 9 。 琵i ；。、 t 一 | | | 1只| t i 。一。 甄 i 厂i | l ：j 一 i ；一 t 一 ，一一嫩 一。 l 一 ，- t 一 图2 5 主要工作波形 该变流器的一个开关周期大致可以分为7 个阶段，分别如图2 6 的7 个等效电路。为 了简化分析，作如下假定和说明：( 1 ) 电路已经进入稳态；( 2 ) 开关管s 和& 同时开通，但 & 比s 延迟几十纳秒关断；( 3 ) 辅开关管s 3 与主开关管s ，s 2 互补导通，中间设有死区时 间；( 4 ) 输出滤波电容c o 被认为无穷大而以恒压源代替；( 5 ) 箝位电容c c 被认为无穷大而 啪 切 岫 h k b 浙江大学硕士学位论文 以电压源v 。代替。各个阶段的具体工作过程分别描述如下： 阶段一【t 0 t l 】：主开关管s l 和s 2 开通，辅开关管s 3 关断，箝位二极管d 。承受电压v i l l 。 此时通过励磁电感l i i l 和电感l r 的电流在输入电压v i 。的作用下线性增长。在这个阶段中， 副边二极管d ，处于截止状态，输出电容给输出负载提供能量。 阶段二【t 1 t 2 ：在t 1 时刻，s l 先于s 2 关断，其寄生电容c 。l 在励磁电流i l m 的作用下 开始充电，同时s 3 的寄生电容c 。3 开始放电。当c 璐。l 电压充电至v i l l 时，c s 3 的电压达 到v 。，此时变压器两端的电压下降为0 。 阶段三 t 2 - t 3 】：在这个阶段内，s 2 还未关断，箝位二极管d 。导通使励磁电流i 协得以续 流，变压器两端的电压持续为0 ，励磁电流保持不变。 阶段四【t 3 伽：在t 3 时刻，s 2 关断，此时s 3 还未开开通。c s 2 充电，c 傩。3 放电。当c s 2 充电至v 。时，c 。3 两端的电压从v 。下降到0 ，s 3 的寄生体二极管开始导通，为s 3 的零 电压开通创造了条件。此时，副边二极管导通，励磁电感被输出箝位，励磁电感把能量传 送到输出。电感电流“开始在v 。n v o 的电压作用下线性下降。 阶段五心- t 5 】：在t 4 时刻，辅开关管s 3 零电压开通。电感电流。继续在箝位电容c 。 的作用下线性下降。当电感电流u 下降为0 后继续反向增长直到t 5 时刻s 3 关断，吐达到 反向最大，阶段五结束。 阶段六 t 5 吨】：辅开关管s 3 关断，c 佛。l 、c 砒在反向电流n 的作用下开始放电，相应 地c 。3 开始充电。当c 啷1 、c 傩s 2 上的电压降为零时，c s 3 则充电至v i l l + v 。此时s l 和s 2 的寄生二极管开始导通。为s l 和s 2 零电压开通创造了条件。 阶段七【t 6 t 7 】：s l 和s 2 零电压开通，电感电流订在v j d + i l v o 的作用下减小到0 后又开 始正向增长，当其值与励磁电流相等时，副边二极管截止，阶段六结束，开始进入下一个 周期。 1 2 阶段一( t 一1 ) 阶段三( t 2 t 3 ) ”阻jn v i n e 帮 萼 ：， ： ：， ! q 赢j ： ；潋替。冲：亨： j ；j i j 阶段五( t 4 ，t 5 ) 阶段二( t l t 2 ) 旦讧又 r 。： v i n 。一囊掣 ：、 ： ： 2 u 。 s 3 ：莨j 1 阶段四( t 3 咱) 重毋n ： l1 s 1 耋一本宁 卜掣t ， v i n 。蟠玲0 ) 型 队鼍之趣 s 2 譬弃宁 阶段六( t 5 乜) 婶持n 萝辩弗攀 | 眦碥。亭|婚 幸 阶段七心 t 7 ) 图2 6 a c o i 各个阶段的等效电路 从以上的分析可以看到，主开关管s 卜s 2 的电压应力分别为输入电压v i i i 和有源箝位 电压v 。( c 。两端的电压) 。辅管s 3 的电压应力为v i n + v 。s l 、s 2 和s 3 都实现了零电压开通， 副边二极管的电流下降斜率也得到一定的缓解，降低了二极管的关断损耗。表2 1 罗列了 1 3 浙江大学硕士学位论文 各个半导体开关元器件的电压应力。 表2 1 主要元器件的电压应力 ( 二) a c o i 的稳态特性 ( a ) a c o i 的增益特性 在实际情况中，死区时间往往非常短暂，只占一个开关周期的百分之几，因此为了计 算分析简洁往往忽略不计。若不计死区时间，在主开关管开通的d t 。时间内，励磁电感承 受输入电压，可得在这段时间内励磁电流的线性上升增量为： 彘旃= 彘肌 亿2 ， 其中d 是占空比，t s 是开关周期。当主开关管关断，辅开关开通的时候，励磁电感被 输出电压箝位，此时励磁电流线性下降，其电流增量可表达为： 一i 警拈一等”观 亿3 ， d t 。m 。m 其中n 是变压器原边和副边的匝数之比。在稳态时励磁电流在一个周期内的增量为o ， 并结合式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得a c o i 的稳态电压增益： m ：业：旦幺 ( 2 4 ) y l l t 、一dl m + l r 式( 2 4 ) 是忽略死区和占空比丢失的条件下得到的，它只是一个近似的表达式。在实际 情况中，当主开关管开通的时候，电感电流i h 仍然是反向的并且它的值在v i l l + n v o 的电压 应力作用下线性减小直到和励磁电感电流达到一致。在这段时间内，副边二极管一直是处 于导通状态，励磁电感向输出传递能量，因此这部分时间虽然占有主开关管开通的时间， 其工作模式却并不是d t 。期间应有的工作模式，这部分从主开关管开通到副边二极管截止 的时间属于占空比丢失，记为么f ，则实际有效的占空比d 。应为： 包；d 一譬 ( 2 5 ) 忽略开关管寄生电容和电感l r 的能量交换，可根据变流器的电路状态容易求得i l r 在 浙江大学硕士学位论文 占空比丢失期间的电流变化量么i h ，从而求得有效占空比d 。： 告一疑池c 告一糌川告+ 糌，= 薏 仁6 ， 生一( 上一丘盟) 址一竺墨一 ( 2 7 ) + 玎圪、圪d 三，+ 上。7 d ( + 疗圪) 肛器皿如一彘c 嚣一最， 亿8 ， 圪烈圪+ 拧圪) 。 + 嚣圪、d 三，+ 乙7 。 当主开关管的寄生电容放电完毕，即m o s f e t 的漏源一达到0 时开关管就立即开通， 在这种状态下占空比丢失最大。当通过电感l r 的反向电流达到0 时主开关管开通，则占 空比丢失最小。当励磁电流的最小值小于等于0 时，占空比丢失最小可降低到o ，这种情 况一般发生在负载较轻的情况下。若是将励磁电感设计得比较小，则在负载较重的时候变 流器也可以达到这种状态，缺点是电流纹波会很大。 ( b ) 有源箝位电压v 。 在d t s 期间，主开关管导通，通过电感l 的电流和励磁电流在输入电压的作用下线性 上升，且两者相等。当主开关管关断时，电流i h 和也达到峰值，标记为i m 双： k = 乏磅叱，= 壶+ 老 ( 2 9 ) 其中p 为变流器的功率，为开关频率。在( 1 d ) t s 期间，s 3 导通，通过l r 的电流在 有源箝位电压作用下线性下降，根据电容安秒平衡，易得当辅管关断时，电感电流证达 到反向最大值，且数值上等于i m 烈，因此通过电感l r 的电流在这段时间内的线性增量为 一2 i n 饿，即： 一2 k ：三毕( 1 一d ) c ( 2 1 0 ) l ， 形：业+ 呈必( 2 1 1 ) l d d 【l d ) 式2 1 1 即为有源箝位电压的表达式，从而可得出主下管s 2 和辅开关管s 3 的电压应力 的具体表达式。结合式( 2 4 ) 、( 2 1 1 ) 可见输出电压和电路功率越大，箝位电容的电压应力 越高，从而s 2 和s 3 在关断时承受的电压越高。另外由于箝位电容不可能是无穷大，因此 箝位电压实际上并不是一个理想的电压源，具有一定的谐振纹波，其纹波量可表示为： 岈案 浙江大学硕士学位论文 纹波量和箝位电容容值呈反比，当箝位电容选取得足够大时，其电压纹波相对有源箝 位电压平均值来说非常小，因此可将箝位电容的作用等效为一个恒压源。但电容选得过大 时，当输入电压改变或负载切换时，电路的动态响应较慢。相反电容选得太小，会使电压 纹波加大，箝位电容、主下管s 2 和辅管s 3 电压应力将相应增大。因此在电路参数设计时 要根据实际情况加以选择。一 ( 三) 实验结果 一台1 2 7 v 3 3 0 v 输入，1 8 5 v 5 a 输出的零电压开关有源箝位双管反激的实验样机验 证了该拓扑的工作原理和软开关特性。样机规格和主要参数如下：输入电压 v i n ：1 2 7 v 3 3 0 v ，输出电压v o ：1 8 6 v ，开关频率：1 0 0 k h z ，变压器匝比n ：7 ：l ，励磁电感值 l m ：6 2 6 心，漏感值l 。：6 8 心，箝位电容值c 。：2 心。主开关管s l ：s t p 烈k 4 0 z ，s 2 ：s t p 6 n b 2 5 f p ， 辅开关管s 3 ：s t p 6 n k 6 0 z f p ，整流二极管d ，：k c h 3 0 a 1 5 ，箝位二极管d 。：b y v 2 6 c 。 图2 7 为主要实验波形。图2 7 ( a 1 ) ( b 1 ) 是主开关管s 1 在1 2 7 v 和3 3 0 v 输入电压下的驱 动波形v 嚣，漏源电压波形v d s 和流过s 1 的电流波形i d s 。可以看到流过s l 的电