作者 王云濤1 楊文榮1 魯兵1 喻志森1 劉江華2 1.河北工業大學電氣工程學院(天津 300130)2.天津天傳新能源電氣有限公司(天津 300180)

摘要：本設計主要適用于蓄電池與逆變器直流母線之間的變換器，接受逆變器的調度，實現蓄電池的充、放電功能。主要分析了輸入(或輸出)300V，輸出(或輸入)48V的有源箝位雙向反激DC-DC變換器的電路設計原理，闡述了能量正向傳遞時的工作過程，并對主電路參數進行設計計算。通過搭建模型進行仿真，得出工作過程波形。通過實驗驗證了理論與仿真的正確性，以及實現了該反激變換器的主開關管的零電壓開通(Zero Voltage Switch，ZVS)。

引言

　　獨立風能、太陽能發電系統受天氣影響很大，輸出功率不穩定，所以，迫切需要配置儲能系統來保證系統供電的可靠性和連續性。雙向DC-DC變換器可實現發電系統能量與蓄電池能量的雙向傳遞。雙向DC-DC變換器朝著高頻性、高可靠性、高效率、小型輕量化和高性能的方向發展。傳統的雙向DC-DC變換器工作在硬開關狀態，開關損耗大、可靠性低，解決問題的最佳方式是采用軟開關技術。有源箝位雙向DC-DC反激變換器可以實現變壓器漏感能量的吸收、開關管的關斷電壓抑制，以及實現開關管的ZVS等功能^[1,2]。此外，在雙向反激變換器中采用有源箝位技術，未增加電路控制的復雜程度，是雙向反激電路實現電壓箝位和軟開關的首選技術。

　　本文主要對雙向反激變換器的有源箝位變換器的工作原理和軟開關技術進行了分析。

1 電路拓撲與工作模態分析

　　1.1 電路拓撲

　　有源箝位雙向反激直流變換器的電路拓撲如圖1所示。該拓撲結構是以基本雙向反激變換器隔離變壓器為基礎，在隔離變壓器兩側添加有源箝位電路形成的。

　　其中，U_in、U_out為輸入輸出電壓;激磁電感L_m和理想變壓器Tx組成反激變壓器; L_r1、L_r2為變壓器一次側漏感和二次側漏感;C_r1、C_r2分別為主開關管S₁、S₂的結電容;C_c1、C_c2分別為箝位電容，與箝位開關管S₃、S₄串聯組成箝位電路。

　　在發電系統能量與蓄電池能量的雙向傳遞過程中，大部分時間工作在能量的正向傳遞過程，所以，以向蓄電池充電的方向為正^[3,4]。

　　1.2 工作模態分析

　　進入穩態工作后，以開關管S₁和S₄的開通為起點。一個周期由十個模態組成，運用十個區間來分析變換器的工作過程，每個區間的參數波形變化如圖2所示。

　　在模態分析之前，需進行假設：分析開始時，變換器進入了穩定工作狀態，激勵電感L_m上的電流恒為正;箝位電容C_c1和C_c2非常大，開關過程中其兩端電壓近似不變;電感L_r上儲存能量足夠大，能夠實現開關管S₁的零電壓導通;電感L_r1、L_r2之值遠小于激磁電感值L_m(L_r約為5%~10%的Lm);箝位電容C_c1與電感L₁諧振周期要滿足關系式：。

　　t₀~t₁：在t₀時刻，開關管S₁為持續開通狀態，開關管S₄零電壓開通。開關管S₂、S₃處于關斷狀態。變壓器的激磁電感L_m儲存能量，激磁電感L_m的電流線性增加。副邊電流給箝位電容C_c2充電，因為C_c2很大，所以兩端的電壓近似不變，電感L_r2上的電流線性減小。開關管S₂的電壓被箝位在U₂+UC_c2。

(1)

　　t₁~t₂：在t₁時刻，開關管S₁和S₄關斷，原邊電流給S₁的輸出電容C_r1充電，變壓器開始放電，副邊電流反向給S2的輸出電容C_r2放電，這個模態時間很短，所以可以近似認為C_r1的電壓線性增加，C_r2上的電壓線性減小。

　　t₂~t₃：當C_r1電壓充電至U_in+U_c1時，原邊輔助箝位開關管S₃的體二極管導通，原邊電流開始給箝位電容C_c1和輸出電容C_r1充電，由于C_c1比C_r1大很多，忽略對C_r1的充電。當S₃的體二極管導通時，開關管S₃的漏源電壓UDS被箝位在一個負的體二極管導通電壓上，此期間開關管S₃開通，可實現S₃的零電壓開通。這期間C_c1兩端的電壓上升，C_r2的電壓減小。

　　t₃~t₄：在t₃時刻，當U_c1被充電至U_in+U_c1時，副邊開關管S₂的體二極管導通，則S₂的UDS被箝位在體二極管的導通電壓上，此期間開通S₂，可以實現S₂的零電壓開通。

　　t₄~t₅：在t₄時刻，開關管S₂和S₃零電壓開通，則副邊電流從箝位開關管S2的體二極管轉移至導電溝道上，S₂同步整流。激磁電感電流Lm線性減小，箝位電容C_c1和電感L_r1發生諧振，電感L_r1電流線性減小，箝位電容C_c1的電壓增大，因為C_c1電容很大，所以諧振過程中電壓近似不變。S₁兩端電壓被箝位在U₁+UC_c1。

(2)

　　t₅~t₆：t₅時刻，開關管S₂和S₃斷開，電感L_r1被輸出電容C_r1充電，副邊電流方向不變，開關管S₂的體二極管續流。

　　t₆~t₇：t₆時刻，原邊輸出電容C_r1的電壓降為0，之后S₁的體二極管導通，原邊開關管S₁的漏源電壓UDS被箝位在一個負的體二極管導通的壓降值上，原邊上的電感L_r1上的反向電流線性減小，副邊電感L_r2電流線性減小。

　　t₇~t₈：t₇時刻起，原邊開關管S₁零電壓開通，變壓器原、副邊繼續換流。當電感L_r1電流和激磁電流相等時，換流結束，S₂的體二極管出現反向恢復電流。

　　t₈~t₉：這個模態期間，S₂的體二極管反向截止，副邊電流給輸出電容C_r2充電。

　　t₉~t₀：t₀時刻，輸出電容C_r2兩端電壓被充電至U_c2，輔助開關管S₄的體二極管導通，繼續給電感L_r2續流，在i_r2電流變為0之前開通，都可實現開關管S₄的的零電壓開通。之后開始重復t₀時刻開關周期工作。

2 主要電路參數設計

　　2.1 零電壓開通條件

　　要實現開關管S₁的零電壓開通，必須使其在t₆~t₇之間開通。在t₇時刻，電感L_r1的電流變向，重新給C_r1進行充電，S₁的DS電壓不再為0。因此，開關管S₃關斷和S₁開通之間的最佳延遲時間為諧振電感L_r1和諧振電容C_r1諧振周期的四分之一，因此需要滿足關系式：

(3)

　　此外，在開關管S₃關斷時刻(t₅時刻)電感L_r1的存儲能量必須足夠大，能夠存儲C_r1上電荷的完全釋放能量，因此，在該時刻滿足以下能量關系：，其中，。當電感L_r1在S₃關斷時刻沒有存儲足夠的能量，只能一定程度上降低S₁的開通損耗。

　　2.2 參數設計

　　2.2.1 主要技術設計指標

　　本有源箝位反激變換器的設計目標，如表1所示。

　　2.2.2 變壓器的參數設計

　　變壓器在有源箝位反激變換器中充當傳輸能量的元件，其設計思路和一般反激變換器設計思路一致。輸入電壓越低，占空比越大，峰值電感電流越大，所要求的勵磁電感也越大，所以應在最小輸入電壓的條件下設計變壓器的各項參數。

　　(1)磁芯材料

　　參照設計規格中的額定功率和開關頻率，本次設計選用PC40磁材，該材料的主要參數如表2所示。