（电力电子与电力传动专业论文）双向反激变换器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e so nb i - d i r e c t i o n a | f l y b a c kc o n v e r t e r sw h i c ha r ea p p l i e dt ol o w p o w e ra p p l i c a t i o n s i ta n a l y s e so p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so f b i d i r e c t i o n a lf l y b a c kc o n v e r t e r , c o n c l u d e ss n u b b e r so fi t sl e a k a g ei n d u c t o re n e r g y a n ds o f t - s w i t c ht e c h n i q u e s ，a n da p p l i e di tt ol o wc a p a c i t yl e a da c i db a t t e r i e sf o r e l e c t r i c - v e h i c l e s t w op r o t o t y p e sa r ed e s i g n e d a na c t i v ec l a m pb i - d i r e c t i o n a l f l y b a c kc o n t r o l l e db ys i n g l ec l o s e dl o o pi sp r o p o s e d i n c h a p t e ro n e ，t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no f b i - d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e r s ( b d c ) a l ei n t r o d u c e d t h ep r e s e n ts t a t u so fb d c ，i n c l u d i n gt o p o l o g i e s ， s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e s ，a n dc o n t r o lm e t h o d si sr e v i e w e d i nc h a p t e rt w o ，o v e r a l lr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nf o c u so nb i d i r e c t i o n a l f l y b a c kc o n v e r t e r ，i n c l u d i n gi t so p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt oi t sf e a t u r e s ，t h es n u b b e r so fl e a k a g ei n d u c t o re n e r g ya n ds o f t - s w i t c h t e c h n i q u e sa r ee x p l a i n e d a tl a s t ，s m a l ls i g n a lm o d e la r ee s t a b l i s h e dw h e nt h e c o n v e r t e rw o r k sa tc o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，a n dc o n d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o di s e x p l a i n e d i nc h a p t e rt h r e e ，ab i d i r e c t i o n a lf l y b a c kc o n v e r t e ru s e dr c ds n u b b e ra n d q u a s i r e s o n a n t s o f t - s w i t c ht e c h n i q u ei sa p p l i e dt op o s i t i v e - n e g a t i v ec h a r g i n g t e c h n o l o g y a tf i r s t ，p o s i t i v e n e g a t i v ec h a r g i n gt e c h n o l o g y i s e x p l a i n e d t h e c h a r g i n go b j e c t a n d c h a r g i n gp a r a m e t e r s a r el i s t t h e nan o d i s s i p a t i o n p o s i t i v e n e g a t i v ec h a r g e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r es h o w na t1 a s t i nc h a p t e rf o u r , a c t i v ec l a m pb i - d i r e c t i o n a lf l y b a c kc o n v e r t e ri sa p p l i e dt o p o s i t i v e - n e g a t i v ec h a r g i n gt e c h n o l o g y a ti n s t ，p r i n c i p l e o fa c t i v e c l a m p b i d i r e c t i o n a lf l y b a c kc o n v e r t e ri sa n a l y z e d t h ec i r c u i tm o d e l i n gi sd e d u c e dw i t h a v e r a g es w i t c h i n gn e t w o r km e t h o d b a s e do ns i m u l a t i o n , t h et r a n s f e rf u n c t i o n sf r o m c o n t r o lt oo u t p u ta r es i n g l ep o l ed u r i n gl o wf r e q u e n c yr a n g ei nb o t hp o s i t i v ea n d n e g a t i v eo p e r a t i o nm o d e t h ec l o s el o o p c o n t r o lc a nb er e a l i z e dw i t hs a m e c o m p e n s a t o r t h ep a r a m e t e r so ft h ec o m p e n s a t o ra r ed e s i g n e d s i m u l a t i v eo p e r a t i o n w a v e f o r m sa n de x p e r i m e n t a lp r o t o t y p er e s u l t sa r es h o w na tl a s t c o n c l u s i o ni sg i v e ni nt h el a s tc h a p t e r i nt h ea p p l i c a t i o no fn o d i s s i p a t i o n p o s i t i v e n e g a t i v ec h a r g i n gt e c h n o l o g y , a c t i v ec l a m pb i - d i r e c t i o n a lf l y b a c kc o n v e r t e r r e a l i z e sc l o s ec o o pc o n t r o lf o rb o t he n e r g yt r a n s f e rd i r e c t i o n i ti st h eo p t i m a lb d c i nl o wp o w e ra p p l i c a t i o n sw i t hs i m p l ec o n t r o la n dh i g he f f i c i e n c y k e y w o r d s ：b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r s ，f l y b a c kt o p o l o g y , a c t i v ec l a m p ， a v e r a g es w i t c h i n gn e t w o r k i i j 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v 不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堂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t 作的同志柚本研究所做廿j 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：忒品品签字日期：j 。，。年；月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并l 幻国家有关部门或机 构送交奉论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 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：h 弋晶品导师签名： 圭乡芳五 签宁日期：】。f 口年吾月8 日 签字日期：2 。f 。年；月l j 日 浙江大学硕十学位论文 第1 章绪论 本章首先分析了双向d c d c 变换器的基本原理和应用概况。然后介绍了双向 d c d c 变换器目前研究的现状，包括双向d c d c 变换器的基本拓扑、软开关技术 和控制方式三部分。最后简要介绍了本论文的研究目的和所作的主要工作。 1 1 双向d c - d c 变换器的基本原理和应用 1 1 1 双向d c d c 变换器的基本原理 传统的单向d c d c 变换器由于含有限制电流单向流通的器件，如二极管，只 可以用于能量单向传递的场合。在一些需要能量双向传递的场合，如太阳能电池发 电系统中，希望在太阳光照强时由太阳能电池阵列给负载供电，同时为发电系统中 的储能部分蓄电池充电；在太阳光照不足的时候由蓄电池给负载补充供电；即 在蓄电池和负载母线之间需要能量能双向传递。若采用传统的单向d c d c 变换器， 需要两套变换器反向并联。如图1 1 中简图所示。单向d c d c 变换器到目前虽然研 究成熟，但反并联的单向d c d c 变换器组成的双向系统元件数量多，电路利用率 低，功率密度小，当能量在不同方向切换时的响应速度也较慢。 能量单向传递 日口日锄参 单向d c - d c 变换器 书- 卜一 能量正向传递 _ _ 日日日日目目雹_ _ _ - _ _ _ _ _ 。 能量反向传递 图1 1 单向d c d c 变换器反并联组成的双向变换器框图 双向d c d c 变换器( b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ，b d c ) 是指在同一台变 换器上，保持两端电压极性不变的条件下，能根据需要调节电流的方向从而实现能 量在正反两个方向上的传递，如图l 一2 所示。按照图中电压、电流标示方向，当i l 0 ， 1 2 0 ，1 2 0 - 1 1 日口_ 一 双向d d d c 变换器 i t _ - _ - - _ 能量反向传递 1 1 4 ) ，i 穸o 图1 2 双向d c d c 变换器框图 1 1 2 双向d c i i c 变换器的应用 随着科技的发展，需要能量能双向传递的应用场合越来越多，如前举例的太阳 能发电系统，此外还有电动汽车电源管理系统，不停电供电系统，蓄电池的化成与 充电系统，风能发电系统等。归纳来说，双向d c d c 变换器都是用在能量储存系 统( 如蓄电池，燃料电池，超电容等) 和外部直流链母线之间，用于控制能量储存 系统的储能和供电。 比如太阳能电源系统在宇宙飞船、航天飞机和人造卫星上都有应用。为提高太 阳能电池的利用率，太阳能电池阵列常工作最大功率点处，最大功率点受太阳光强 影响，在光照强的晴天，太阳能电池阵列输出功率大，给负载供电的同时能通过双 向d c d c 变换器给蓄电池充电；在光照弱的阴天或夜间，太阳能电池输出功率很 小或没有，需要蓄电池通过双向d c d c 变换器为负载补充供电。可见由蓄电池和 双向d c d c 变换器组成的充放电控制系统是太阳能电源系统的关键部分之一。 电动汽车中的电动机是典型的有源系统，高效率的双向d c d c 变换器在电动 汽车的电机驱动系统中，既能让储能设备为电机供电，又能回收电机在制动过程产 能的制动能量，让储能设备储能，提高了电动汽车中电动机的利用率。 许多行业的关键负载都需要有不间断电源供电( u p s ) ，如冶金，核电，银行业 等。u p s 电源系统由整流、储能、变换和丌关控制四部分组成，其中的双向d c d c 开关变换器除给储能部分充电外，还用于在市电( 电网供电) 断电时，为关键负载 提供稳定的电能。 铅酸蓄电池的充电和化成技术中，近年来越来越多的采用带负脉冲放电的正负 脉冲充电技术。正负脉冲充电技术能加快充电速度，延长蓄电池的循环寿命，对串 联储能电池组的充电有自动均衡作用。由于负脉冲的去极化作用，能提高电池的电 流接受率，故还能将脉冲充电应用于阀控密封铅酸电池的化成，提高生产效率，减 小污染。双向d c d c 变换器能将负脉冲放电部分的能量回收利用起来，而不是简 单的通过电阻损耗掉。这样既能提高电能利用率，又能减小充电和化成设备的体积。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 总之，双向d c d c 变换器充当储能系统能量管理的作用，既能提高被供电系 统的稳定性，又能提高能源的利用效率，在许多行业都能发挥重要作用。 1 2 双向d c d c 变换器研究现状 双向d c d c 变换器由于应用广泛，对它的研究也成为了热门课题之一。目前 对双向d c d c 变换器的研究主要集中在主电路拓扑、软开关的实现和控制方式上， 下面分别予以叙述。 1 2 1 双向d c d c 变换器拓扑概述 在基本的单向d c d c 变换器中，将限制能量双向传递的不控开关器件换成电 流能双向流通的可控器件后，可得到不隔离双向d c d c 变换器【l 】。在不隔离的双向 d c d c 变换器插入能实现电气隔离的变压器，即可得到隔离型的双向d c d c 变换 器。下面将双向d c d c 变换器分为非隔离型和隔离型两大类，以基本的d c d c 变 换器为主线，分别作简要分析和评价。 1 2 1 1 非隔离型双向d c d c 变换器 基本的单向d c d c 变换器有b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t ，c u k ，s e p i c 和z e t a 六种，将其中的二极管换成m o s f e t 后，都能转变成相应的双向d c d c 变换器， 如图1 3 1 7 所示，对应的六个双向d c d c 变换器都能通过控制实现能量的双向传 递。 非隔离型b u c k b o o s t 类双向d c d c 变换器如图1 3 所示，适用于输入输出电 压差不是很大的场合。它电路简单，能量转换直接，效率很高，处理的功率等级大。 由于m o s f e t 的反并联体二极管电荷存储多，反向恢复特性差，对不隔离 b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器研究较多的是如何实现其软开判1 。3 】，提高变换器效 率，改善e m i 。 ( a ) 单向b u c k 变换器 + + v 2 v - - + + 踢 洱 ( b ) b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器 ( c ) 单向b o o s t 变换器 ( d ) b o o s t b u c k 双向d c d c 变换器 图1 3 非隔离b u c k b o o s t 类双向d c d c 变换器拓扑 一3 一 + + 浙江大学硕十学位论文 将单向b u c k - b o o s t 变换器中二极管换成有源开关m o s f e t 后，即得到b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器如图1 4 所示，其结构简单，但是能量的储存和传递都要 通过电感进行，适用于小功率场合。 + 易 蟛 + ( a ) 单向b u c k - b o o s t 变换器( b ) b u c k - b o o s t 双向i ) t 2 - d c 变换器 图1 4b u c k - b o o s t 类舣向d c d c 变换器拓扑 将单向的s e p i c 或z e t a 变换器中的二极管用有源开关替代后，得到了不隔离的 s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器，拓扑结构如图1 5 所示。与单向的s e p i c 或z e t a 变 换器类似，不隔离的s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器能量的传递需要经过三次变换， 以图1 5 ( b ) 中能量从v l 向v 2 传递为例：s l 导通时，电源v l 的电能转换成电磁能 储存在l l 中；s l 关断，l 1 中电磁能给电容c 充电；s l 导通，c 中的电能给输 出电感l 2 充电并给负载供电。电路复杂，能量传输效率不高，不隔离的s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器只适用于小功率场合【4 j 。 ( a ) 单向z e t a 变换器 + + v 2v ， - + + 踢蟛 - ( b ) z e t a s e p i c 双向d c - d c 变换器 ( c ) 单向s e p i c 变换器 ( d ) s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器 图l - 5z e t a s e p i c 类双向d c d c 变换器拓扑 c u k 双向d c d c 变换器拓扑结构如图1 - 6 所示，与s e p i c z e t a 双向d c d c 变 换器类似，它能量的传递也需要经过三次变换，转换效率低，也不适用于大功率场 合。 一4 一 浙江大学硕士学位论文 一 + v 2v + ( a ) 单向c u k 变换器( b ) c u k 双向d c i x ；变换器 图1 - 6c u k 双向d c d c 变换器拓扑 1 2 1 2 隔离型双向d c d c 变换器 在由基本d c d c 变换器衍生来的双向d c d c 变换器中插入高频变压器，即可 得到隔离型的双向d c d c 变换器，其中的高频变压器同时实现电压变换和电气隔 离。 图l 一7 是隔离型的b u c k b u c k 变换器的基本形式，其中c e l l l c e l l 2 为逆变整流 或整流逆变单元，它们可以是有源箝位正激、推挽、推挽正激、半桥、全桥等拓扑， l r 为高频变压器的漏感或漏感与串联小电感之和。 v l 乃审 坤 0 坤 图1 7b u c k - b u c k 双向d c d c 变换器基本形式 当c e l l l 和c e l l 2 都为全桥结构时，就形成了如图1 8 所示的全桥式b u c k b u c k 双向d c d c 变换器，也称为相移控制零电压开关桥式双向d c d c 变换器1 5 j ，其中 c e l l l 中的s l 、s 4 和s 2 、s 3 互补工作，c e l l 2 中的s 5 、s 8 和s 6 、s 7 互补工作，s l 和s 5 之间有一定相角差，通过控制s l 和s 5 之间的驱动控制相角差可控制v l 和v 2 之间 能量的传递，当s l 超前s 5 开通时，能量从v l 向v 2 传递；当s 5 超前s l 开通时，能 量从v 2 向v l 传递。这一变换器变压器两侧为电压馈电式全桥单元，没有大的惯性 延时元件，动态响应快，可升降压工作，且主电路不需要增加辅助电路，即可实现 开关管的z v s ，在大功率场合备受青睐。但是该变换器效率受输入和输出电压变化 的影响，当输入输出电压幅值不匹配时，即v i ：n v 2 l 时，存在较大环流，电流有 效值会增加，降低了变换器的效率，这是不希望的【“。 隔离式的双向b u c k b o o s t 变换器基本单元如图1 - 9 所示，同样，其中的c e l l i c e l l 2 为逆变整流或整流逆变单元可以是有源箝位正激、推挽、推挽j f 激、半桥、全桥 等拓扑，l 为输入或输出的大的滤波电感。 图1 1 0 ( a ) 中两个变换单元都是全桥结构，称为全桥隔离型b u c k b o o s t 双向 d c d c 变换器，在c e l l l 左侧有一个大的滤波电感，属于电流馈电式全桥单元，这 一5 一 浙江大学硕士学位论文 v 1 图1 8 相移控制零电压开关桥式双向d c d c 变换器拓扑 v 2 一拓扑存在两个问题【8 】：一是“升压启动”问题，即在变换器启动时n v 2 未达到v i 之前，电感l 会处于单边励磁状态，需要外加复位电路，或通过控制电路限制电感 l 上电流。二是关断侧的开关管关断时存在很高的有源性电压尖峰，较难吸收，采 用较多的是将b o o s t 电感上的电流旁路，如图1 1 0 ( b ) l 拘半桥式b u c k b o o s t 拓扑，就 不会在低压侧开关管上产生关断电压尖峰【9 】。 v 1 v 1 v i 坤 c e i l 2 j 审 i 图1 - 9b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器基本形式 v j ( a ) 电流馈电式全桥b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器拓扑 v 2 l b c 1 _= r 1 本 c 3 = j s 1 仁 _ 1 1 f l r 爿c _ _ _ j - ) s 2 仁 t - - 年奉 c 2 = j r 本 c = js 卜_ ( b ) 半桥b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器拓扑 图1 1 0 桥式b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器 一6 一 v 2 浙江大学硕十学位论文 在b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器中插入高频变压器，形成隔离型的b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器，又称双向反激变换器，如图1 1 1 所示。双向反激变换器元件 数量少，控制简单，动态响应迅速，是小功率应用场合的最佳选择。 图1 1 1 双向反激变换器拓扑 图1 1 2 ( a ) 是隔离型的s e p i c z e t a 类双向d c - d c 变换器，图l - 1 2 ( b ) 是隔离型的 c u k 双向d c d c 变换器【10 1 ，同其不隔离形式一样，这两类电路的能量传递需要经 过多次转换，不是能量的有效转换方式，且不适用于大功率场合。 ( a ) 隔离型s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器 ( a ) 隔离型c u k 双向d c - d c 变换器 图1 1 2 隔离型s e p i c z e t a 和c u k 双向d c - d c 变换器拓扑 1 2 2 双向d c d c 变换器的软开关实现方式 随着电工电子业的发展，双向d c d c 变换器朝着高频、高效、高可靠性，小 型轻量和高性能的方向发展。传统的p w m 控制的双向d c d c 变换器工作在硬开关 状态，存在以下问题：开关损耗大。实际的开关器件并不是理想器件，器件丌通 时电流的上升、电压的下降与器件关断时电流的下降、电压的上升都有一个变化过 程，硬丌关状态的开关管存在电压和电流的交叠区，如图1 1 3 所示，开关损耗不为 零。变换器的开关损耗随着开关频率的提高而增加。频率越高，开关损耗越显著， 效率越低，需要更大体积的散热器，硬开关方式阻碍了双向d c d c 变换器高频化 的发展。可靠性低。工作在硬开关状态的变换器，开关器件在大的电压和电流变 一7 一 浙江大学硕士学位论文 化率下工作，器件的安全工作区变窄，还会产生电磁干扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ， 影响变换器其他部分的工作，对电路的回路面积，走线和分布参数等都比较敏感。 此外在双向d c d c 变换器中，m o s f e t 的体二极管反向恢复特性很差，在m o s f e t 关断前若电流从其体二极管通过，快速的电流变化率使体二极管反向恢复电流很大， 这对器件十分不利。一般采用图1 1 4 中的反并联二极管结构来代替变换器中的 m o s f e t ，消除m o s f e t 的体二极管的反向恢复。但这种方法增加了电路的器件数 目，同时还增加了通态损耗。 图1 1 3 开关器件损耗示意图 l n o , o i d 1 n i i- j 图1 1 4 带反并联二极管的消除体二极管反向恢复的m o s f e t 电路 为了解决上述问题，最佳的方法是采用软开关技术，软化开关器件的丌关过程， 减小或消除开关损耗。理想的开通过程希望器件两端电压先降到零，器件上的电流 再慢升到负载电流；理想的关断过程希望器件上的负载电流先降到零，器件两端电 压再上升到关断电压。与此同时，还希望能吸收器件两端的电压尖刺，达到电压筘 位的效果。软开关技术减小了双向d c d c 变换器损耗，使电路可以向高频化发展， 从而减小了变换器的体积和重量。此外，软开关技术还能减小电路中的电压电流变 化率，有助于改善变换器的e m i 。然而双向d c d c 变换器需要能量双向传递，与 单向d c d c 变换器的软开关技术有不同之处，目前双向d c d c 变换器的软开关技 术大致可以分为7 类，包括谐振软开关技术，准方波零电压类软开关技术，零电压 移相控制软开关技术，无源缓冲技术和有源缓冲技术。对各类软开关技术的工作原 理和评价参见文献f 1 2 1 。 1 2 3 双向d c d c 变换器的控制 为了使双向d c d c 变换器具有良好的稳态特性和动态特性，需要进行闭环控 制。闭环控制设计基本建立在小信号建模的基础上，开关状态空间平均法是其中的 一8 一 浙江大学硕十学位论文 一种很常用的建模方法。然而由于双向d c d c 在两个功率传递方向上小信号模型 并不一样，传统的控制方式是采用两套独立的闭环控制系统，在改变功率传输方向 时切换控制系统，这样的方法在模拟控制中电路复杂，元件数量多，尤其在隔离型 双向d c d c 变换器中需要隔离传递的信号太多，降低了系统的可靠性。本论文通 过建模分析发现，通过合理的设计，某些双向d c d c 变换器也可以用一套闭环控 制器实现系统在能量不同方向传递时的稳定工作。 1 3 本论文的研究意义和主要工作 鉴于以上双向d c d c 变换器的应用背景和研究现状，发展控制简单、能实现 软开关工作的双向d c d c 变换器具有实际意义。 应用于小功率场合的双向d c d c 变换器中，双向反激变换器是最佳选择。它 的拓扑简单，元器件数量少，成本低，动态响应迅速。但双向反激变换器的变压器 既要储能，又要实现电气隔离和电压变换，使得双向反激变换器中的开关器件电压、 电流应力较大。此外，变压器必然存在漏感，漏感能量不能通过变压器进行传递， 反而在开关管关断时与其输出寄生电容谐振，产生电压尖刺。常用的方法有：减 小变压器漏感。吸收漏感上的能量。减小变压器漏感的方法是改变变压器的绕制 方式，如采用原、副边绕组“夹层绕”的方式，但变压器制作变得复杂，不适用于 批量生产。且“夹层绕 方式使原、副边耦合电容增加，对降低电路损耗和减小e m i 不利。采用有效的箝位吸收和软开关技术成为缓解器件压力，提高电路的可靠性和 降低电路损耗的关键。用于单向反激变换器的箝位和软开关技术不能直接套用在双 向反激变换器中，这是由于能量需要双向传递，在某一个功率传递方向上的箝位和 软开关电路在另一功率传递方向上，也许不仅不能起到软开关作用，反而产生额外 损耗，增加电路的复杂度。有源箝位技术不仅能吸收漏感能量，还能实现开关管的 零电压开通。在双向反激变换器中采用有源箝位技术，并未增加电路控制的复杂程 度，且能使电路工作在定频模式下，是双向反激电路实现电压筘位和软丌关工作的 首选技术。小功率的变换器希望能简化控制电路，传统的双闭环控制控制信号繁多， 切换复杂，希望能量在不同方向传递时能采用简单的单闭环控制。 本文以电动助力车用铅酸蓄电池正负脉冲快速充电为应用背景，第二章概述了 铅酸蓄电池的快速充电技术。第三章分析了双向反激变换器的基本原理和硬丌关缺 陷，综述目前双向反激变换器的箝位和软开关技术。然后以峰值电流控制的r c d 箝位和准谐振软开关技术相结合的双向反激电路为例，分析其工作原理，并给出实 验结果。第四章阐述了有源筘位双向反激变换器基本工作原理，提出了单闭环控制 的有源箝位双向反激变换器，通过对有源箝位双向反激变换器的小信号建模，设计 其能量在不同方向传递时的单闭环补偿环节，并通过实验验证了单闭环有源箝位双 向反激变换电路确能稳定工作，最后给出实验结果。 一9 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章双向反激变换器的分析 本章首先分析了双向反激变换器的基本原理和电路特点，列出了双向反激变换 器漏感能量的筘位吸收方式以及电路的软开关实现方式，最后通过对双向反激变换 器的小信号分析，阐述了双向反激变换器常规的控制方式。 2 1 双向反激变换器的基本原理 反激变换器由于具有拓扑简单、元器件数量少、能实现电气隔离、动态响应迅 速的特点，广泛应用于需要电气隔离的小功率( 5 0 0 w 以下) 场合。双向反激变换 器有传统单向反激变换器演化而来，如图2 1 所示，将单向反激变换器中输出整流 二极管换成电流能双向流动的可控开关器件( 如m o s f e t ) ，这样形成了以变压器 为中心线的对称拓扑，不论能量从v l 向v 2 正向传递，还是从v 2 向v l 反向传递， 其拓扑都是反激形式的。同时，以能量从v l 向v 2 传递为例，开关管s 2 可以工作在 不控状态，用其体二极管实现整流；也可以工作在同步整流模式，减小损耗，提高 电路效率。便于解释，在以后的文章中我们仍称v l 至变压器的一次侧为原边或原边 侧，v 2 至隔离变压器的二次侧为副边或副边侧。 图2 1 双向反激变换器原理图 然而，由于反激变换器中的变压器既要实现电气隔离，又要储存能量，使得反 激变换器中的开关器件需要承受相对较高的电压和电流应力，工作在硬开关状态的 反激变换器开关损耗大。此外，变压器存在漏感，漏感上能量不能通过变压器传输， 以图2 2 中能量从v l 向v 2 传递为例，开关管s l 关断时，变压器原边漏感l k l 上的 能量不能传递到副边，与原边开关管输出电容c r 一谐振，产生高的电压尖刺，如果 对该谐振能量不采取有效吸收或箝位，就有可能击穿开关管s l ，这就降低了电路的 可靠性。图2 3 是能量从v l 向v 2 传递时的仿真波形，其中仿真参数为：v i = 3 1 0 v ， v 2 = 4 8 v ，输出电流2 a ，激磁电感l m = 5 0 0 u h ，匝比n = 2 2 ，漏感l k i = 2 0 u h ( 4 倍 l m ) ，l k 2 = 0 8 u h ，c r l = 1 0 0 p f ，波形中g 1 、g 2 为s l 、s 2 的驱动脉冲信号，0 代表 关断，l 代表开通。可以看到s l 关断时刻其漏源电压v d s l 峰值比正常值高出近4 0 0 v 。 一l o 浙江大学硕士学位论文 v 图2 2 无箝位吸收反激变换器 誊白兰：兰三兰目兰兰兰兰：e ! 兰兰：兰曰兰兰兰兰三 斛二 二 二 二二口二二 ? 紫吣洲崤k 意删嫩涨瀚淑驰飞潦淞n 泌毒涨。时撼 兰匝婴巫理堕亟堕堕砸 震岜趱雠蓬丝巡巡延避塑缝型 日拜b 哦i ，el i h j 扣i i ij1 4 r s i i i 哪备i , i i , i 1 l 旷e ：蔗： 图2 3 矛籍付吸腑的反瀚蛮换器仿直波形 2 2 双向反激变换器漏感箝位吸收方式 由上节分析可知，反激变换器对漏感不加箝位吸收电路，开关管电压应力高， 电路可靠性低。在单向反激变换器中，吸收漏感能量的方式已有很多，基本可以分 为四类，如图2 4 所示。其中图2 - 4 ( a ) 是有损缓冲类，s l 关断时漏感上的能量在c 。 上吸收。s l 开通时，电容上能量通过r s 释放，限制放电电流，吸收电路中不含开关 器件，但是由于r 。的存在会削减吸收电容吸收漏感能量的速度。图2 - 4 ( b ) 所示有损 吸收类又称为r c d 箝位吸收，它的速度比前一类要快，是经常使用的漏感吸收电 路。图2 - 4 ( c ) 为无损无源筘位方式，它在电路中加入两个无源开关器件，可将漏感 上的能量回馈会输入，而不是在电阻上损耗掉，这样能提高电路效率。图2 4 ( d ) 类 有源筘位方式【1 3 , 1 4 】，用有源开关代替( c ) 中的二极管，s l 关断时漏感能量储存在辅助 浙江大学硕十学位论文 箝位电容上，这部分能量可以回馈到输入，也可以通过辅助变压器转移到输出，文 献【1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 】中的提出的电路都是有它衍生而来。有源箝位的优势还在于，它能实 现s l 的零电压开通( z v s o n ) 。 d 扫 l - ( a ) 有损缓冲类( b ) 有损箝位吸收类( c ) 无源无损箝侮类( d ) 有源箝位类 图2 4 单向反激变换器箝位吸收基本方式 将这四种对漏感的箝位吸收方式应用在双向反激变换器中，也形成了四类基本 的双向反激变换器漏感箝位吸收电路，如图2 5 所示。下面将予以简要评价。 l k ll 眨l k ll 垃 ( a ) 有损缓冲类 h 1l l 吐 用。 ( b ) 有损箝位吸收类 k 1l i q ( c ) 无源无损箝位类 ( d ) 有源箝位类 图2 - 5 双向反激变换器箝位吸收的基本方式 图2 - 5 ( a ) 所示有损缓冲类电路由于筘位吸收效果不明显，效率低，已经不多采 在双向反激变换器的变压器的两侧均加入r c d 箝位吸收电路，即可构成r c d 一1 2 浙江大学硕十学位论文 箝位的双向反激变换器，如图2 - 5 ( b ) 所示。这种双向反激拓扑简单，只有两个需要 控制的开关器件。但是它的缺点也显而易见：首先，r c d 箝位吸收反激变换器是 将漏感上的能量通过吸收电阻r 。来损耗掉，效率低。想要降低电路损耗，只有在 变压器设计制作时降低漏感值，即加强反激变换器原副边之间的耦合，夹心绕法是 降低变压器漏感的有效方法，但这种绕法制作复杂，因安规要求使得变压器的窗口 利用率低，批量生产困难。当能量在某一个方向传递时，以图中从左向右传递为 例，二次侧的r c d 电路未起筘位吸收作用，反而在s l 开通时消耗能量，成为一种 变相死负载，更加降低了电路的效率。 无源无损筘位吸收电路应用在双向反激电路中如图2 - 5 ( c ) 所示，它将漏感上能 量回馈到源侧，且能量在某一方向传递时不会出现假负载现象，不过附加的谐振电 感会增加电路中器件的电压电流应力。 在基本双向反激变换器变压器的两侧均加入有源箝位辅助电路，形成的有源箝 位类双向反激变换器【1 9 1 如图2 - 5 ( d ) 所示，同在单向反激变换器中的应用一样，它将 漏感能量储存在箝位电容中，回馈到输入侧或负载侧，最重要的是所有开关管都能 实现z v o n ，效率高。 2 3 双向反激变换器软开关方式 双向反激变换器除了要吸收漏感上能量，减小开关管电压应力，还需要应用软 开关技术改善器件的开关轨迹，减少或消除开关过程中开关器件上电压和电流的交 叠部分，降低开关损耗，让电路向高频化发展，从而提高变换器功率密度。此外， 软开关技术还有助于减小双向反激变换器对其他电子设备的电磁干扰。 双向反激变换器中应用的软开关技术可以归纳为有源箝位、有源缓冲、准谐振 和准方波控制四种方式，下面予以分析。 2 3 1 有源箝位双向反激变换器 由2 2 节可知，有源箝位的双向反激变换器中，变压器漏感的能量被回收，主 开关管s l 和s 2 的关断电压被箝位。实际上，有源箝位的双向反激电路中，主开关 管( s l 和8 2 ) 和辅助箝位开关管( s 3 和8 4 ) 均能实现零电压开通。同时有源箝位电 路对漏感的要求不像r c d 吸收那么严格，变压器可以不采用夹层绕制的方式，让 其制作变得简单。双向反激变换器在原、副边都有箝位电路，整个电路漏感大，能 减小原、副边换流时，输出整流侧电流下降的速率，从而改善其体二极管的反向恢 复。有源箝位电路的这些优点建立在提高电路的复杂度上，即增加了两个需要控制 的丌关管。但是这些开关管能以互补脉冲控制，即并未增加变换器实际控制的复杂 度。由于主开关管和有源筘位辅助开关管互补工作，激磁电感被双向励磁，使得在 激磁电感值较小时，激磁电流可以出现负值，即激磁电感电流始终连续。负的电感 电流能帮助实现软开关工作，但是会增加能量循坏和变压器及器件电流纹波，类似 一13 浙江大学硕十学位论文 于常规变压器中的电流断续模式。相比于激磁电流恒为正值的模式，负的激磁电流 会使得器件的峰值电流应力和电流有效值均加大，增加了电路的损耗。为了减小电 流纹波和降低损耗，常把电路设计在电感电流恒为正值的工作模式，关于这一工作 模式下有源筘位双向反激变换器工作原理的叙述，将在第4 章给出。 2 3 2 有源缓冲双向反激变换器 有源缓冲指通过引入额外的有源开关和辅助谐振网络，达到零电流转换或零电 压转换的目的。文献 2 0 即在双向反激变换器中采用了有源缓冲电路来实现到软开 关，其提出的电路原理图如图2 - 6 所示。它通过在变压器上额外加一个辅助绕组， 引入辅助谐振电容c a ，由开关管s 3 和s 4 控制谐振电容和变压器各绕组漏感的谐振 起始时间，能实现所有开关管的零电流开关工作。把所有电路折算到原边后的等效 电路图如图2 7 所示。 匿c o 卜 图2 - 6 漏感与辅助电容谐振实现z c s 的有源缓冲双向反激变换器 v 图2 7 有源缓冲双向反激变换器折算到原边后的等效电路图 一1 4 一 浙江大学硕十学位论文 该电路的缺点有：1 同所有谐振软开关电路一样，额外加入的谐振软开关电路 增加了电路的电压、电流应力，使主功率电流有超过j 下常值较多的谐振纹波。2 有 四个需要控制的开关器件，而且辅助开关管s 3 、s 4 在一个开关周期中有两个不连续 的开通期间，控制复杂。3 反激变换器中有源开关器件基本上都采用m o s f e t ，它 的开关速度较快，而漏源极间有较大寄生电容，因此对于m o s f e t 零电压开关比零 电流开关更有意义，而本电路只能实现零电流开关。 2 3 3 准谐振双向反激变换器 双向反激变换器的准谐振软开关技术【2 1 1 是让电路工作在电感电流临界导通的 准谐振模式( q r - d c m ) ，利用激磁电感和开关管等效输出电容谐振来减小开通电压 的方式。下面以图2 2 中能量从v l 向v 2 传递为例，简述其工作原理。当副边电流 i 。下降至零以后，原边激磁电感l m 和等效输出电容c e q ( 由原边开关管输出电容c ，i 、 变压器层间电容、副边开关管c r 2 组成) 谐振，谐振频率为： 力2 丽1 2 1 主要波形如图2 8 所示。开关管s i 的漏、源开通电压会在v + n v 2 和v l n v 2 之间变化，当开关频率为石时原边开关管s l 开通时，其输出电容c ，l 放电引起的开 通损耗为： p o n ( s 1 ) - - 毕z ( 2 - 2 ) 型盟z ( 2 2 ) 可见如果能在v d 。l 谐振到谷底值时开通s z ，即能将p o ( s 1 ) 降至最小。此外，谐 振电流在电路上流通会增加损耗，谐振电流越大，谐振时间越长，损耗越