帶回饋?zhàn)儔浩鞯男路f軟開(kāi)關(guān)推挽變換器

劉隆華　黃洪全　黃啟哲　李民強(qiáng)　盧紹成

（1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧 530004）

帶回饋?zhàn)儔浩鞯男路f軟開(kāi)關(guān)推挽變換器

劉隆華1黃洪全2黃啟哲1李民強(qiáng)1盧紹成1

（1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧 530004）

針對(duì)推挽變換器難于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的問(wèn)題，提出了一種新穎的帶回饋?zhàn)儔浩鞯能涢_(kāi)關(guān)輔助電路，使兩個(gè)推挽功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通和軟關(guān)斷。分析了電路的工作原理并推導(dǎo)出電路參數(shù)的計(jì)算公式。當(dāng)回饋饋?zhàn)儔浩鞯纳龎罕群蛣?lì)磁電感滿足設(shè)計(jì)條件時(shí)，可避免回饋?zhàn)儔浩鬟M(jìn)入磁飽和狀態(tài)。研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了電路和分析方法的正確性。

推挽變換器；軟開(kāi)關(guān)；回饋?zhàn)儔浩?/p>

推挽變換器具有功率開(kāi)關(guān)器件少、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電壓利用率高、輸入輸出隔離、變壓器利用率高、電壓增益大等特點(diǎn)［1］，在低電壓輸入高電壓輸出的應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)［2-5］。離線式配網(wǎng)故障定位儀要求在低壓直流供電的情況下，產(chǎn)生數(shù)萬(wàn)伏的高壓直流信號(hào)，用于重新?lián)舸┕收宵c(diǎn)，為故障定位創(chuàng)造條件［6］，采用推挽變換器是較合理的方案。

推挽電路的缺點(diǎn)也很突出。功率管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感電流沒(méi)有續(xù)流通道，關(guān)斷尖峰電壓高，難于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。為克服這一缺點(diǎn)，研究者提出了許多改進(jìn)方案。一種方案是在功率開(kāi)關(guān)管上并接電容器，在主變壓器副邊添加諧振單元，構(gòu)成諧振型推挽變換器，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。這種方案增加了功率管開(kāi)通時(shí)電流峰值過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)輸出電壓很高、負(fù)載變化范圍很大時(shí)，主變壓器副邊繞組分布參數(shù)對(duì)諧振參數(shù)的影響較大。另一種方案是采用推挽正激變換器，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管通過(guò)電容器串接起來(lái)，解決了變壓器漏感電流續(xù)流的問(wèn)題。但其驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜。由于電路對(duì)稱性消失，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間難于保持平衡，偏磁問(wèn)題比較嚴(yán)重，需要采用較復(fù)雜的偏磁抑制方法。本文提出了一種帶回饋?zhàn)儔浩鞯能涢_(kāi)關(guān)輔助電路，無(wú)需改變主電路結(jié)構(gòu)和控制方式，不僅能抑制尖峰電壓，還能使兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通和軟關(guān)斷。將研制的軟開(kāi)關(guān)推挽變換器應(yīng)用于10kV配網(wǎng)接地故障定位儀，取得了良好的效果。

1　新型軟開(kāi)關(guān)推挽變換器原理與分析

圖1是帶回饋?zhàn)儔浩鞯能涢_(kāi)關(guān)推挽變換器電路原理圖。功率開(kāi)關(guān)管VT1、VT2、主變壓器T1等元件構(gòu)成推挽變換器主電路。電容C1、回饋?zhàn)儔浩鱐2、回饋電感L1和二極管D1、D3組成功率開(kāi)關(guān)管VT1的軟開(kāi)關(guān)輔助電路。電容C2、回饋?zhàn)儔浩鱐3、回饋電感L2和二極管D2、D4組成功率開(kāi)關(guān)管VT2的軟開(kāi)關(guān)輔助電路。

圖1　軟開(kāi)關(guān)推挽變換器原理

推挽變換器的兩個(gè)功率管及其軟開(kāi)關(guān)輔助電路是完全對(duì)稱的，僅以VT1及其軟開(kāi)關(guān)輔助電路為例分析電路的工作原理。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，軟開(kāi)關(guān)輔助電路的工作過(guò)程可分為4個(gè)狀態(tài)，如圖2所示。電路各點(diǎn)的仿真波形如圖3所示。

圖2　軟開(kāi)關(guān)推挽電路工作狀態(tài)

圖3　軟開(kāi)關(guān)推挽電路仿真波形

狀態(tài)1：VT1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，VT2保持關(guān)斷。T1的1號(hào)繞組、VCC、C1和D1組成漏感電流續(xù)流回路。漏感電流能量轉(zhuǎn)移到C1，電容電壓上升。由于C1的初始電壓為零，當(dāng)VT1的關(guān)斷速度高于C1電壓上升速度時(shí)，在VT1關(guān)斷的過(guò)程中，其承受的電壓近似為零，實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷。如果狀態(tài)1持續(xù)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，VCC和漏感電流的共同作用，使C1的最大充電電壓高于2VCC。

狀態(tài)2：VT1保持關(guān)斷，VT2由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。T1的2號(hào)繞組端電壓下降，1號(hào)繞組端電壓上升到2VCC。如果在上一個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)，變壓器漏感能量還沒(méi)有釋放完，變壓器漏感能量將繼續(xù)對(duì)C1充電。漏感能量釋放完后，C1上的電壓高于2VCC，轉(zhuǎn)而開(kāi)始放電。在狀態(tài)2期間，電容電壓先升后降，如果狀態(tài)2持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，C1的穩(wěn)態(tài)電壓為2VCC。

狀態(tài)3：VT1保持關(guān)斷，VT2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷。T1原邊兩個(gè)繞組的端電壓穩(wěn)態(tài)值為VCC。電容C1在上一狀態(tài)結(jié)束時(shí)的電壓約為2VCC，C1將通過(guò)T1的1號(hào)繞組、VCC、回饋?zhàn)儔浩鱐2原邊繞組放電。回饋?zhàn)儔浩鱐2副邊繞組的回饋電流開(kāi)始上升，向電源VCC回饋能量。如果狀態(tài)3持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，C1放電終點(diǎn)值將達(dá)到VCC。

狀態(tài)4：VT1由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，VT2保持關(guān)斷。C1上的電壓通過(guò)VT1和T2原邊繞組放電，為下一個(gè)狀態(tài)吸收漏感能量、抑制尖峰電壓做好準(zhǔn)備。T2副邊繞組的回饋電流iL1明顯上升，隨后向負(fù)載釋放能量而衰減。在VT1開(kāi)通的瞬間，其等效負(fù)載相當(dāng)于初始電流為零的電感負(fù)載，電流上升速度慢而電壓下降速度快。在VT1開(kāi)通的過(guò)程中，VT1管兩端承受的電壓近似為零，實(shí)現(xiàn)了功率管的軟開(kāi)通。如果狀態(tài)4持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，且電路參數(shù)選擇適當(dāng)，C1放電終點(diǎn)值為零。

2　軟開(kāi)關(guān)輔助電路參數(shù)的計(jì)算

在軟開(kāi)關(guān)輔助電路中，回饋?zhàn)儔浩鞯膮?shù)設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵?；仞?zhàn)儔浩鞯脑吅透边吚@組均工作在直流狀態(tài)，為了避免繞組電流過(guò)大導(dǎo)致回饋?zhàn)儔浩黠柡?，同時(shí)，為了保證功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通，必須選擇電路參數(shù)，使回饋?zhàn)儔浩髟吅透边呺娏鞫寄芗皶r(shí)回零。設(shè)回饋?zhàn)儔浩髟吪c副邊的匝數(shù)比為1∶k，k＞＞1，勵(lì)磁電感為L(zhǎng)M，LM＞＞L1/k2。C1放電時(shí)，回饋?zhàn)儔浩鬏敵鲭妷哼h(yuǎn)大于VCC，可忽略VCC對(duì)C1放電過(guò)程的影響，又由于C1的放電速度遠(yuǎn)高于勵(lì)磁電流和回饋電流的衰減速度，可將能量回饋過(guò)程分為C1放電和電感電流衰減兩個(gè)階段。

設(shè)C1放電時(shí)，勵(lì)磁電感和回饋電感的初始電流為零，則由能量守恒得

式中，VC0是C1的初始電壓，通常在VCC至2VCC之間。IC為C1放電完畢時(shí)的最大電流。根據(jù)并聯(lián)電感的分流關(guān)系可得回饋電感的電流最大值為

勵(lì)磁電感電流最大值為

C1放電完畢后，勵(lì)磁電流iLM通過(guò)二極管D1形成回路并逐漸衰減。設(shè)二極管正向?qū)妷簽閂D，忽略二極管導(dǎo)通電阻的影響，則勵(lì)磁電流的微分方程為

為避免勵(lì)磁電流不斷增加，勵(lì)磁電流在下一個(gè)C1放電時(shí)刻前回零。設(shè)TD為勵(lì)磁電流回零的時(shí)間，BD為回零時(shí)間與PWM周期T的比，可得

式中，BD=TD/T，0＜BD＜1。

同理，C1放電完畢后，回饋電流iL1開(kāi)始向VCC或負(fù)載供電，電流逐漸衰減，忽略回饋?zhàn)儔浩髟呺妷旱挠绊?，其電流微分方程?/p>

為保證功率開(kāi)關(guān)管的軟導(dǎo)通，回饋電流iL1在下一個(gè)C1放電時(shí)刻前回零。設(shè)TH為iL1由最大值回零的時(shí)間，BH為回零時(shí)間與PWM周期T的比，可得

式中，BH=TH/T，0＜BH＜1。根據(jù)式（1）至式（5）可得

考慮最不利的情況，取VC0=2VCC，則式（7）可變?yōu)?/p>

式（6）給出了回饋?zhàn)儔浩魃龎罕鹊淖钚≈?，通常取BD=BH。式（8）給出了回饋電感最大值計(jì)算公式。由式（3）可知，k和LM越大，勵(lì)磁電流就越小，勵(lì)磁電流回零的時(shí)間也越短。

上述結(jié)論的物理意義也是明確的。當(dāng)回饋?zhàn)儔浩鞯纳龎罕群蛣?lì)磁電感足夠大，而回饋電感足夠小時(shí)，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，大部分漏感能量被回饋到電源和負(fù)載?；仞?zhàn)儔浩髯陨砦栈騼?chǔ)存的能量很小，并很快被續(xù)流二極管全部消耗掉，勵(lì)磁電流回零。在能量吸收和回饋過(guò)程中，回饋?zhàn)儔浩鞑粫?huì)因磁飽和而失效。回饋電感的取值應(yīng)在滿足式（8）的情況下，盡量取較大的值。若回饋電感太小，則能量回饋過(guò)程太快，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電流將大幅增加。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)配網(wǎng)故障定位儀的工作條件，確定推挽變換器的輸入電源為蓄電池，電壓60V，最大輸出電壓14000V，最大輸出電流200mA。將研制的軟開(kāi)關(guān)推挽高壓變換器投入使用，用電流和電壓傳感器測(cè)量電路的波形，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）中電流波形接近于梯形波。因選用的回饋電感較小，電流在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)有一定的過(guò)沖。圖4（b）是功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻的波形圖，在電流下降的過(guò)程中，電壓很小，表明功率開(kāi)關(guān)管是軟關(guān)斷。圖4（c）是功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)刻的波形圖，在電流上升過(guò)程中，電壓很快下降接近于零，表明功率開(kāi)關(guān)管是軟開(kāi)通。

圖4　實(shí)測(cè)波形圖

4　結(jié)論

在推挽變換器中，用回饋?zhàn)儔浩鹘M成軟開(kāi)關(guān)輔助電路，可以將功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的漏感能量回饋給電源和負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通和軟關(guān)斷。當(dāng)回饋?zhàn)儔浩鞯纳龎罕群蛣?lì)磁電感滿足設(shè)計(jì)條件時(shí)，其勵(lì)磁電流可在每個(gè)PWM周期內(nèi)歸零復(fù)位，避免磁飽和。軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)不依賴于諧振元件，對(duì)電路參數(shù)不敏感，對(duì)控制方式?jīng)]有特殊要求。電流波形接近梯形波，有利于降低功率開(kāi)關(guān)管的電流有效值和峰值，適合在輸入電壓較低的高壓變換器中應(yīng)用。

［1］ （美）Abraham I. Pressman， （美）Keith Billings，（美）Taylor Morey， et al. 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2010.

［2］ 羅劼， 楊永飛， 陳建華， 等. 一種高性能車載直流電源設(shè)計(jì)［J］. 電力電子技術(shù)， 2011， 45（5）： 84-86.

［3］ 王贊， 肖嵐， 嚴(yán)仰光. 基于燃料電池的推挽正激變換器的控制研究［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2007，27（33）： 82-86.

［4］ 袁義生， 龔昌為. 一種諧振型推挽式直流變換器［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備， 2012， 32（10）： 83-87， 93.

［5］ 姚志壘， 肖嵐， 黃勇， 等. 低整流電壓應(yīng)力的推挽正激三電平變換器［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2012， 27（9）：231-236， 241.

［6］ 張慧芬， 潘貞存， 桑在中. 基于注入法的小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2004，28（3）： 64-66.

Novel Soft Switch Push-pull DC/DC Converter with Feedback Transformers

Liu Longhua1Huang Hongquan2Huang Qizhe1Li Minqiang1Lu Shaocheng1
（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd， Hechi， Guangxi 547000；2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004）

For the shortcomings of a traditional push-pull converter， a novel soft switch auxiliary circuit with feedback transformers， which assists the two power devices in push-pull converter to switch softly， is proposed. The operating principle is analyzed and a series of formulas to determine the circuit parameters are derived. When the turns ratio and the magnetizing inductance meet the design conditions，the feedback transformer can avoid entering the magnetic saturation. The soft switching push-pull DC/DC converter has been put into use， verifying the correctness of the circuit and the design method.

push-pull converter； soft switch； feedback transformer

中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（K-GX2014-047）

劉隆華（1985-），男，廣西河池人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行。