一種具有無(wú)損鉗位電路的三繞組全橋變換器

袁登科 湛凌威 王 興 張逸成

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系 上海 201804）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的軌道交通系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)為緩解城市交通擁堵的壓力起到重要作用，目前國(guó)內(nèi)諸如杭州、西安、武漢等二線城市都在大力發(fā)展軌道交通。與此同時(shí)，軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)備受矚目，如北京、上海的軌道交通由于線路眾多，電氣設(shè)備長(zhǎng)期重負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，已不可避免出現(xiàn)故障，由于供電網(wǎng)故障中斷線路運(yùn)營(yíng)的情況屢見(jiàn)不鮮。所以北京地鐵4 號(hào)線、上海地鐵11 號(hào)線以及廣州地鐵某些線路均提出了地鐵列車(chē)能夠在外部電力中斷情況下依賴車(chē)載蓄電池實(shí)施緊急牽引的要求。由于眾多地鐵列車(chē)的供電直流電壓為1 500V 系統(tǒng)，而車(chē)載蓄電池電壓一般均較低，所以采用目前成熟的電力電子變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換與功率控制是一種理想的解決方案。

然而，在地鐵列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間需要較大牽引功率時(shí)，隨著荷電狀態(tài)的降低，車(chē)載儲(chǔ)能單元的端電壓會(huì)在較大范圍內(nèi)變化，所以功率變換器的輸入電壓變化范圍很寬，往往超過(guò)兩倍的變化范圍。對(duì)于適于高壓與大功率場(chǎng)合的全橋變換器而言，由于變壓器漏感和整流二極管結(jié)電容的存在，變換器整流二極管在截止的初始階段往往會(huì)承受很高的振蕩過(guò)電壓，尤其是在寬輸入電壓和高輸出電壓場(chǎng)合，需要高耐壓的二極管。然而隨著二極管耐壓值的增高，其反向恢復(fù)特性變差，這會(huì)進(jìn)一步加劇二極管截止階段的振蕩過(guò)程，會(huì)使二極管承受更大的電壓應(yīng)力。這個(gè)振蕩過(guò)程不僅對(duì)二極管的耐壓等級(jí)提出了很高的要求，還會(huì)導(dǎo)致EMI 問(wèn)題和更大的器件損耗，包括開(kāi)關(guān)管、變壓器和整流二極管。

為了削減高壓、大功率全橋變換器中整流二極管電壓應(yīng)力，在近些年來(lái)有很多技術(shù)被提出。傳統(tǒng)的方法采用電容、二極管與電阻構(gòu)成RCD 鉗位電路[2,3]，雖然RCD 鉗位電路可以很好地鉗位二極管電壓應(yīng)力。然而在大功率寬輸入電壓Vi場(chǎng)合，電阻上的損耗非常大，因此降低了系統(tǒng)的效率。有源鉗位的方法在抑制振蕩電壓的同時(shí)，由于沒(méi)有電阻，因此損耗很小[4-9]。但由于其采用了開(kāi)關(guān)管，因此增加了系統(tǒng)的控制復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的可靠性。所以，在大功率場(chǎng)合，一般不采用此方法[2,3]。為了能在削減損耗的同時(shí)降低系統(tǒng)的控制復(fù)雜度，一些無(wú)損無(wú)源鉗位電路被提出[10-20]。利用4 個(gè)二極管和2個(gè)電容構(gòu)成的鉗位電路可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損鉗位，但二極管電壓應(yīng)力高達(dá)nVi+Vo（Vo為變換器的輸出電壓，n 為高頻變壓器二次與一次繞組的匝比），因此對(duì)于高電壓場(chǎng)合，該拓?fù)洳⒉缓线m[13]。文獻(xiàn)[14-16]中電路拓?fù)涞你Q位電路可以將二極管電壓應(yīng)力鉗位到2Vo，在高電壓輸出時(shí)二極管電壓應(yīng)力仍很高。通過(guò)帶中心抽頭的變壓器和加入輔助電感，可以將二極管電壓應(yīng)力鉗位到1.5Vo[17]，但對(duì)于高壓輸出場(chǎng)合，其電壓應(yīng)力仍然很大，而且加入輔助電感使電路變得更復(fù)雜。通過(guò)加入輔助電壓源將二極管電壓應(yīng)力鉗位到Vo/[d+k(1－d)d][18]（k 為繞組匝比系數(shù)），該方案在低占空比d 時(shí)二極管電壓應(yīng)力仍然很高，同時(shí)因采用全波整流方式，并不很適合在高電壓輸出場(chǎng)合使用。一種簡(jiǎn)單的鉗位電路只利用兩個(gè)二極管和一個(gè)電容可以在高占空比的工況下很好地鉗位二極管上過(guò)電壓[19]，并可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷。然而對(duì)于寬輸入電壓和高輸出電壓場(chǎng)合，其二極管電壓應(yīng)力會(huì)非常大。因此，在高電壓輸出場(chǎng)合，很多拓?fù)洳捎枚嗬@組全橋變換器并聯(lián)技術(shù)，變換器二次繞組采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)以降低二極管電壓應(yīng)力[20-23]。利用兩個(gè)二極管和一個(gè)電容使二極管電壓應(yīng)力被鉗位在輸出電壓Vo[20]。但由于拓?fù)浔旧淼南拗?，電路正常工作時(shí)占空比必須大于0.5，因此限制了輸入電壓的變化范圍。文獻(xiàn)[23]中電路拓?fù)涞你Q位電路在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，提出了一種采用此鉗位電路的二繞組全橋變換器。此拓?fù)錅p小了二極管電壓應(yīng)力，尤其是在高占空比條件下。但在低占空比的情況下二極管電壓應(yīng)力仍然較高。

本文提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此拓?fù)涞淖儔浩鞫蝹?cè)采用三繞組結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)三個(gè)繞組的匝比進(jìn)行優(yōu)化，使得占空比的工作范圍更寬，最低占空比達(dá)到0.382，所以變換器可以工作在輸入電壓變化范圍大于二倍的場(chǎng)合；同時(shí)電路拓?fù)涫拐鞫O管電壓應(yīng)力保持在Vo以下。

2 整流二極管電壓應(yīng)力分析

2.1 整流二極管電壓應(yīng)力推導(dǎo)

二極管關(guān)斷后電壓振蕩過(guò)程在文獻(xiàn)[23]中有詳細(xì)的描述。在考慮二極管反向恢復(fù)電流情況下，本節(jié)在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)出整流二極管電壓應(yīng)力最大值的公式，并對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的分析。全橋變換器原理如圖1 所示，S1～S4為一次側(cè)4 個(gè)IGBT 開(kāi)關(guān)管，Ls為折算到變壓器二次漏感，n 為變壓器二次側(cè)與一次側(cè)的匝比，VD1～VD4為二次側(cè)4 個(gè)整流二極管，Cj1～Cj4為整流二極管的等效結(jié)電容（其電容值記為Cj），Lf為輸出濾波電感的電感值，Cf為輸出濾波電容器的電容值，RL為等效負(fù)載電阻。變壓器二次電流為iLs。在二極管電壓振蕩過(guò)程中，由于時(shí)間非常短，濾波電感的電流幾乎不變，該電流定義為ILf。圖1 中Vi為變換器直流輸入電壓，Vsec為變壓器二次電壓，Vrec為整流二極管直流側(cè)電壓，Vo為變換器輸出直流電壓。

圖1 全橋直流變換器原理圖Fig.1 Schematic of full bridge converter

以二極管VD2和VD3截止為例。二極管進(jìn)入電壓振蕩狀態(tài)的等效電路如圖2 所示，此階段起始時(shí)的漏感電流初始值為 iLs=ILf+2irr（irr為整流二極管的反向恢復(fù)電流）。濾波電感可以等效為恒電流源ILf。電容Cj3與Cj2的初始電壓為零，初始電流為iCj2=iCj3=irr。因此，漏感和兩個(gè)結(jié)電容構(gòu)成帶初始條件的二階LC 振蕩電路。根據(jù)電路基本方程[23]可以得到VD2、VD3的電壓應(yīng)力和變壓器二次電流的表達(dá)式為

圖2 振蕩電路等效電路Fig.2 Equivalent circuit of oscillating circuit

同樣，對(duì)式（2）求最大值，得到變壓器二次電流最大值為

如果整流二極管采用肖特基二極管或者SiC 二極管，其反向恢復(fù)電流irr基本可以忽略不計(jì)，二極管電壓應(yīng)力最大值為2nVi。而在高壓大功率場(chǎng)合，現(xiàn)在的肖特基二極管和SiC 二極管不能滿足其電壓等級(jí)和功率需求，需要采用快恢復(fù)二極管，而高壓大功率快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性很差，irr很大。根據(jù)式（3），二極管的實(shí)際電壓應(yīng)力要高于2nVi。在高壓大功率場(chǎng)合，二極管電壓應(yīng)力是非常大的，甚至可以達(dá)到3nVi[23]。因此，為了能選擇開(kāi)關(guān)性能更好、耐壓更低的快恢復(fù)二極管，對(duì)二次整流二極管的振蕩電壓進(jìn)行鉗位是十分必要的。

2.2 現(xiàn)有典型方案中二極管電壓應(yīng)力的對(duì)比分析

下面針對(duì)目前相關(guān)文獻(xiàn)不同方案中，二極管電壓應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。以全橋變換器輸出直流電壓Vo=1 500V、dmin=0.4 為例。

文獻(xiàn)[19]方案中二極管電壓應(yīng)力為

實(shí)際的電壓應(yīng)力由式（3）和式（5）共同決定，當(dāng)式（5）的計(jì)算值高于式（3）的值時(shí)，電壓應(yīng)力由式（3）確定，否則由式（5）確定。

文獻(xiàn)[20]方案中二極管電壓應(yīng)力公式如下：

在d ＞0.5 時(shí)，二極管電壓應(yīng)力被鉗位在輸出電壓，即Vrec_pk=1 500V，然而此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法在d＜0.5 的情況下工作。

文獻(xiàn)[23]方案中的二極管電壓應(yīng)力公式如下：

其電壓應(yīng)力為

文獻(xiàn)[23]的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[19]的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小了二極管電壓應(yīng)力。但在d=0.4 時(shí)，理論上的二極管電壓應(yīng)力仍然高達(dá)2 250V。實(shí)際上考慮到二極管的反向恢復(fù)電流，二極管電壓應(yīng)力要高于2 250V。

綜上所述，文獻(xiàn)[19,23]的無(wú)損鉗位電路在寬輸入電壓情況下二極管電壓應(yīng)力很大，文獻(xiàn)[20]的無(wú)損鉗位電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)在d＜0.5 的情況下工作。因此，需要新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更寬的輸入電壓，同時(shí)需有效鉗位二極管電壓應(yīng)力。

3 具有無(wú)損鉗位電路的三繞組全橋變換器

3.1 工作原理

本文提出的三繞組全橋變換器如圖3 所示，它由三組二次側(cè)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的全橋變換器和無(wú)損鉗位電路構(gòu)成。無(wú)損鉗位電路由三個(gè)鉗位二極管VDc1～VDc3和兩個(gè)高頻濾波電容Cc1和Cc2構(gòu)成，其工作原理如下。

圖3 具有無(wú)損鉗位電路的三繞組全橋變換器Fig.3 Three windings full bridge converter with a lossless clamp circuit

第一組整流二極管：當(dāng)VD1、VD4（或者VD2、VD3）導(dǎo)通輸出電壓 Vrec1達(dá)到電容 Cc2的電壓(VCc2=Vo)時(shí)，VDc1導(dǎo)通，因此第一組整流二極管電壓應(yīng)力被鉗位在 Vo。振蕩電路所產(chǎn)生的能量通過(guò)VDc1傳遞到Cc2中，當(dāng)振蕩過(guò)程結(jié)束后，Cc2的能量再傳遞到負(fù)載。

第二組整流二極管：當(dāng)VD5、VD8（或者VD6、VD7）導(dǎo)通后的整流輸出電壓Vrec2達(dá)到電容Cc1的電壓(VCc1=VCf1+VCf2)時(shí)，VDc2導(dǎo)通，二極管電壓應(yīng)力被鉗位在電壓(VCf1+VCf2)，振蕩電路所產(chǎn)生的能量通過(guò)VDc2傳送到Cc1中，當(dāng)振蕩過(guò)程結(jié)束后，Cc1的能量傳到負(fù)載。

第三組整流二極管：第三組整流二極管的鉗位過(guò)程與第一組類似。二極管電壓應(yīng)力由VDc3和Cc2鉗位，使電壓應(yīng)力被鉗位在Vo。

3.2 三繞組變壓器匝比優(yōu)化

圖3 所示的變換器二次側(cè)采用了三繞組結(jié)構(gòu)，如果三組繞組的匝比相同，那么變換器無(wú)法工作在d＜0.5 的情況下，原因如下：假設(shè)高頻變壓器一、二次側(cè)三個(gè)繞組的匝比為1:n:n:n，則Vrec1=Vrec2=Vrec3=nVi，Vo=(Vrec1+Vrec2+Vrec3)d。

為了防止鉗位電路的二極管在能量傳遞時(shí)恒導(dǎo)通導(dǎo)致濾波電感短路，需要滿足以下三個(gè)公式：

由式（8）和式（10）可以得到 d＞1/3，由式（9）可以得到d＞0.5。因此，變換器允許的最低占空比是0.5，無(wú)法實(shí)現(xiàn)更寬的輸入電壓范圍。

為了實(shí)現(xiàn)更寬的輸入電壓變化范圍，可以考慮具有不同匝比的三繞組結(jié)構(gòu)，假設(shè)變壓器的匝比為1:n:kn:n，故有

同樣，為防止鉗位二極管在能量傳遞時(shí)恒導(dǎo)通導(dǎo)致濾波電感短路，需要滿足以下三個(gè)公式：

由此可以得到

只有當(dāng)d 同時(shí)滿足以上式（14）與式（15）時(shí)，電路才可以正常工作。函數(shù)f1(k)=1/(2+k)和f2(k)=k/(1+k)的曲線如圖4a 所示。當(dāng)二條曲線相交時(shí)，可以取得最小的占空比dmin。此時(shí)≈0.618，dmin/(2+k)≈0.382。

圖4 電壓應(yīng)力與占空比關(guān)系Fig.4 Relationship between voltage stress and duty ratio

理論分析表明，當(dāng)變壓器的匝比為1:n:0.618n:n時(shí)，電路工作時(shí)最低占空比可以達(dá)到0.382，相比之前最低占空比 0.5，可以使輸入電壓的工作范圍更寬。圖4b 給出了文獻(xiàn)[19,20,23]和本文提出的具有上述匝比的變換器整流二極管電壓應(yīng)力對(duì)比曲線及占空比工作范圍，其中橫坐標(biāo)為 d，縱坐標(biāo)為Vrec_pk/Vo。從圖4b 中可以看出，在d＞0.5 時(shí)，文獻(xiàn)[19]中的二極管電壓應(yīng)力最大，文獻(xiàn)[20,23]和本文提出的鉗位電路可以使二極管電壓應(yīng)力鉗位在Vo。當(dāng)d＜0.5 時(shí)，文獻(xiàn)[19,23]中的電壓應(yīng)力增加，文獻(xiàn)[20]中的鉗位電路不能工作。本文提出三繞組變換器可以使占空比最低為0.382，并鉗位二極管電壓應(yīng)力，其中第一組和第三組整流二極管電壓應(yīng)力為Vo，第二組整流二極管電壓應(yīng)力為0.618Vo。

3.3 濾波電感參數(shù)優(yōu)化

由于采用不同匝比的三繞組結(jié)構(gòu)，因此第二組整流橋經(jīng)過(guò)濾波后的輸出電壓VCf2與VCf1、VCf3不同，即VCf2=kVCf1=kVCf3。由于三組整流橋的輸出采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此要求每組整流橋后的濾波電感的紋波電流大小一致，否則不同的紋波電流將流過(guò)濾波電容，造成大的紋波電壓和發(fā)熱損耗。以續(xù)流階段為例，紋波電流的變化率為

為了使每組的濾波電感紋波電流一致，根據(jù)VCf2=kVCf1=kVCf3，則Lf2=kLf1=kLf3。由此可見(jiàn)，為了防止大電流流過(guò)濾波電容，每組整流橋的濾波電感的電感量也要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

課題組研制了300W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，以驗(yàn)證三繞組全橋變換器可以在低占空(d＜0.5) 的工況下工作而不發(fā)生短路，同時(shí)對(duì)采用無(wú)損鉗位電路和不采用鉗位電路的三繞組全橋變換器的性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電路的參數(shù)見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。圖5a～圖5f 為d=0.4 時(shí)整流二極管電壓應(yīng)力曲線。圖5a 和圖5b 為第一組整流二極管電壓應(yīng)力曲線?？梢?jiàn)，加鉗位電路的整流二極管電壓應(yīng)力被鉗位在輸出電壓，未加鉗位電路的整流二極管電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于輸出電壓。圖 5c和圖5d 為第二組整流二極管電壓應(yīng)力曲線。加鉗位電路的電路拓?fù)渲?，整流二極管電壓應(yīng)力被鉗位在第一組和第二組濾波電容串聯(lián)后的電壓VCf1+VCf2。未加鉗位時(shí)，整流二極管電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于第一組和第二組濾波電容串聯(lián)后的電壓VCf1+VCf2。圖5e 和圖5f 為第三組整流二極管電壓應(yīng)力曲線。加鉗位電路的整流二極管電壓應(yīng)力被鉗位在第二組和第三組濾波電容串聯(lián)后的電壓VCf2+VCf3。未加鉗位時(shí)，整流二極管電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于第二組和第三組濾波電容串聯(lián)后的電壓VCf2+VCf3。圖5g～圖5i 為高占空比時(shí)加鉗位電路時(shí)整流二極管電壓應(yīng)力曲線，電壓應(yīng)力均被鉗位在對(duì)應(yīng)的電壓水平。圖6 給出了試驗(yàn)平臺(tái)的布置。

圖5 整流二極管電壓應(yīng)力波形Fig.5Waveforms of the rectifier diodes voltage stress

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Experimental platform

5 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證三繞組變換器在大功率變換器上應(yīng)用的可能性，通過(guò)PSPICE 對(duì)大功率變換器進(jìn)行了仿真分析，得到了初步的驗(yàn)證。

PSPICE 中詳細(xì)的仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示。其中圖7 表示第一組整流二極管的電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，可以看出，二極管電壓應(yīng)力被鉗位在輸出電壓1 500V；圖8 表示第二組整流二極管電壓應(yīng)力，可以看出，二極管電壓應(yīng)力被鉗位在930V。第三組整流二極管電壓應(yīng)力波形與第一組類似。從仿真結(jié)果可以明顯看出整流二極管電壓應(yīng)力的鉗位效果與前面的試驗(yàn)相似，所以初步驗(yàn)證了本文提出的三繞組全橋變換器在大功率場(chǎng)合應(yīng)用的可能性。

表2 PSPICE 仿真參數(shù)Tab.2 Parameters of PSPICE simulation

圖7 第一組整流橋波形Fig.7Waveforms of the first rectifier bridge

圖8 第二組整流橋波形Fig.8Waveforms of the second rectifier bridge

6 結(jié)論

本文針對(duì)寬輸入電壓、高輸出電壓的大功率直流變換的需求，提出了一種具有無(wú)損鉗位電路的三繞組全橋變換器，詳細(xì)分析了整流二極管電壓應(yīng)力及其鉗位電路，通過(guò)對(duì)變換器二次三個(gè)繞組的匝比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以拓寬變換器的占空比工作范圍，從而使得變換器適用于工作在輸入電壓變化范圍大于2 倍的高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合。小功率試驗(yàn)樣機(jī)初步驗(yàn)證了提出的具有無(wú)損鉗位電路的三繞組變換器的有效性，PSPICE 的仿真結(jié)果也初步驗(yàn)證了該變換器在大功率場(chǎng)合應(yīng)用的可能性。

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