基于三半橋拓撲的雙向DC/DC變換器軟開關(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，實現(xiàn)電能雙向流動的直流變換器[1]。多端口雙向DC/DC變換器使多個電源互連，實現(xiàn)了多級電源之間多個方向的能量傳輸。三半橋雙向DC/DC變換器是一種新型的三端口變換器，它通過磁耦合將不同的電源結(jié)合在一起，通過移相控制實現(xiàn)同時或單獨向負載供電。該變換器拓撲所具有低壓/高電流的輸入特性；雙向功率流動；開關(guān)管數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。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程與單輸入ZVS雙半橋DC/DC變換器是相似的，但是其軟開關(guān)的條件以及影響軟開關(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變換器的軟開關(guān)的實現(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輸入級組合式升壓半橋電路，一個三繞組的高頻變壓器，以及一個輸出級電壓型半橋電路。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，一個完整的開關(guān)周期根據(jù)狀態(tài)的不同可以劃分成t0～t19共19個工作區(qū)間。這里假設(shè)t1時刻之前的穩(wěn)態(tài)對應(yīng)于開關(guān)管S1導(dǎo)通，開關(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時刻之前，電路達到穩(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載外，同時給電容C3充電。

⑵　模態(tài)2(t1～t2)

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

⑶　模態(tài)3 (t2～t3)

t2時刻D2導(dǎo)通，將S2的端電壓箝位在0，此模態(tài)下任一時刻內(nèi)給S2加驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)S2的零電壓(ZVS)開通。原邊電流ir12線性降低，ir56繼續(xù)增加直至t3時刻。

⑷　模態(tài)4(t3～t4)

t3時刻，當原邊電流ir56大于輸入電感電流idc2時，開關(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時刻ir12=idcl 。

⑸　模態(tài)5(t4～t5)

t4時刻，當原邊電流ir12小于輸入電感電流idcl時，開關(guān)管S2導(dǎo)通。在這一階段，ir12繼續(xù)下降至反向變負。

⑹　模態(tài)6(t5～t6)

t5時刻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時刻原邊電流值ir56(t5)有關(guān)。t6時刻Ｖcr6由0開始變負時，D6開始因正偏而導(dǎo)通。原邊電流ir12繼續(xù)下降，ir56在負電壓作用下開始降低，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性下降。

⑺　模態(tài)7(t6~t7)

t6時刻D6導(dǎo)通，將S6的端電壓箝位在0。此模態(tài)下任一時刻內(nèi)給S6加驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)S6的零電壓(ZVS)開通。副邊電流ir34繼續(xù)降低。

⑻　模態(tài)8(t7～t8)

t7時刻，副邊電流ir34反向為負，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時刻ir56= idc2。

⑼ 模態(tài)9（t8～t9）

t8時刻，當原邊電流ir56小于輸入電感電流idc2時，開關(guān)管S6導(dǎo)通。

⑽　模態(tài)10(t9～t10)

t9時刻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時刻的副邊電流值ir34(t9)有關(guān)。t10時刻Ｖcr4由0開始變負時，D4因正偏而導(dǎo)通。原邊電流ir56持續(xù)降低，并開始反向變負。

⑾　模態(tài)11（t10～t11）

t10時刻D4導(dǎo)通，將S4的端電壓箝位在0。此模態(tài)下任一時刻內(nèi)給S4加驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)S4的零電壓(ZVS)開通。

⑿　模態(tài)12(t11～t12)

t11時刻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時刻原邊電流值ir12(t11)有關(guān)。t12時刻
Ｖcr1由0開始變負時，D1開始因正偏而導(dǎo)通。

⒀　模態(tài)13(t12～t13)

t12時刻D1導(dǎo)通，將S1的端電壓箝位在0，此模態(tài)下任一時刻內(nèi)給S1加驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)S1的ZVS開通。原邊電流ir12在正向電壓的作用下線性增長，并開始由負過0變正。

⒁ 模態(tài)14(t13～t14)

t13時刻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時刻原邊電流值ir56(t13)有關(guān)。t14時刻Vcr5由0開始變負時，D5開始因正偏而導(dǎo)通。

⒂　模態(tài)15(t14～t15)

t14時刻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時刻ir12= idc1，ir56在正電壓的作用下也在線性增長，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性增加。此模態(tài)下任一時刻內(nèi)給S5加驅(qū)動信，即可實現(xiàn)S5的零電壓(ZVS)開通。

⒃　模態(tài)16(t15～t16)

t15時刻，當原邊電流ir12大于輸入電感電流icd1時，開關(guān)管S1導(dǎo)通。副邊電流ir34線性增加直至t16時刻ir34=0。

⒄　模態(tài)17(t16～t17)

t16時刻，當副邊電流ir34由負過0時，電流由D4換流到S4中，S4導(dǎo)通。

⒅　模態(tài)18(t17～t18)

t17時刻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時刻副邊電流值ir34(t17)有關(guān)。當t18時刻Cr3端電壓過0變負時，D3自然導(dǎo)通，在t17～t18期間S3可以零電壓開通。此后，又回到模態(tài)1，電路又開始下一周期的模態(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，在一個開關(guān)周期的電壓電流波形及開關(guān)管時序如圖2所示。

圖2正向模式下電流電壓工作波形以及開關(guān)時序圖

ＤＣ/ＤＣ變換器兩側(cè)拓撲結(jié)構(gòu)的對稱性，反相（Buck）模式的工作原理與正向（Boost)模式是相似的。這里就不贅述。

3 軟開關(guān)條件

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

在Boost模式下開關(guān)管S4～S6零電壓開關(guān)（ZVS）的實現(xiàn)，與開關(guān)管關(guān)斷前時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連接的兩個組合式半橋拓撲單元，與輸出側(cè)電壓型半橋拓撲單元驅(qū)動信號之間的移相角， Ø15為兩個組合式半橋電路之間的移相角。

將函數(shù)fl到f6分別與控制變量Ø13，Ø53繪成三維圖，低壓側(cè)開關(guān)管S1，S2和S5，S6的軟開關(guān)條件受到Ø13，Ø53范圍的限制。當Ø13取值較大，Ø13取值較小，或者兩者同時都取較大值時，f1,2,4,5>0的條件就容易得到滿足，這就意味著三半橋DC/DC變換器一個輸入級電路開關(guān)管的軟開關(guān)條件，要受到另一個輸入級中控制變量的影響。高壓側(cè)開關(guān)管S3, S4在變換器輸出功率整個可調(diào)范圍內(nèi)都能實現(xiàn)軟開關(guān)。在實際工作中，為了對變換器所傳輸?shù)臒o功功率進行限制，Ø13，Ø53可調(diào)范圍都被限定在的范圍內(nèi)[5]。因此，要根據(jù)變換器兩個輸入級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 仿真驗證

在進行了理論分析后，對上文三半橋DC/DC變換器在Boost和 Buck兩種工作模式下的軟開關(guān)條件進行仿真驗證，

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)開關(guān)管電壓和電流仿真波形。以Boost模式下低壓側(cè)開關(guān)管S5為例，在S5關(guān)斷前，漏感電流Ir56達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Vds5=0，實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。而在S5導(dǎo)通前，Ids5反向小于0，通過開關(guān)管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，并且在t時刻，Ids5從二極管換流到開關(guān)管S5中，實現(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)開關(guān)管S1、S2、S5、S6和高壓側(cè)開關(guān)管S3、S4均能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷(ZVS)。

圖3　Boost模式下開關(guān)管電壓和電流仿真波形

圖4　Buck模式下開關(guān)管電壓和電流仿真波形

6 結(jié)論

通過對三半橋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變換器實現(xiàn)軟開關(guān)的條件，并對軟開關(guān)條件的范圍進行了分析，得出了影響三半橋DC/DC變換器軟開關(guān)條件的因素。

通過仿真驗證，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工作模式下的軟開關(guān)條件如式（2）所示。

⑶ 三半橋DC/DC變換器，一個輸入級電路開關(guān)管的軟開關(guān)條件要受到另一個輸入級中控制變量的影響，要根據(jù)變換器兩個輸入級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

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