有源鉗位在反激式微逆變器中的應(yīng)用研究

秦曉佳，吳義純，陳銀，于傳，馬娟，李冰

（1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022；3.陽(yáng)光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

太陽(yáng)能微型逆變器的研究成為最近幾年人們研究可再生能源的重要裝置，專(zhuān)業(yè)研究人員都在設(shè)法提高微型逆變器的效率。隨著功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，人們?cè)谄渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和變換技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步，發(fā)展到了相當(dāng)高的水平；有源鉗位電路是在開(kāi)關(guān)電源中常用的一種軟開(kāi)關(guān)控制電路，現(xiàn)在被人們更多地應(yīng)用在對(duì)高頻電路中開(kāi)關(guān)管的保護(hù)上。在本文中，有源鉗位電路應(yīng)用在太陽(yáng)能微型逆變器的前級(jí)升壓部分，用以吸收反饋能量和減小開(kāi)關(guān)管的承受的電壓應(yīng)力。

在反激式變換器中，漏感Lr是衡量變壓器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。變壓器的漏感和開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容諧振，使開(kāi)關(guān)管在截止瞬間產(chǎn)生很高的電壓尖峰，容易把開(kāi)關(guān)器件過(guò)壓擊穿，所以在反激式變換器中開(kāi)關(guān)器件往往需要承受很高的電流和電壓應(yīng)力。為了使功率開(kāi)關(guān)器件工作在安全工作區(qū)，要將變壓器漏感產(chǎn)生感生電勢(shì)（過(guò)電壓）限制在允許范圍內(nèi)，本文通過(guò)設(shè)置有源鉗位電路限制變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰過(guò)電壓。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和matlab 仿真驗(yàn)證了有源鉗位電路提高轉(zhuǎn)換效率的有效性。

1 反激式DC-DC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1 無(wú)源鉗位電路的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分析

鉗位電路是將脈沖信號(hào)的某一部分固定在指定電壓值上，并保持原波形形狀不變的電路，分為有源鉗位電路和無(wú)源鉗位電路，下面首先對(duì)兩種無(wú)源鉗位電路做一個(gè)比較分析。

ZD 鉗位電路，對(duì)由齊納二極管的阻斷電壓指定的開(kāi)關(guān)管電壓提供硬鉗位，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是鉗位電壓要由二極管的阻斷電壓決定，大大限制了抑制不同的尖峰電壓。

RCD 鉗位電路，其開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，漏感能量將被轉(zhuǎn)移到鉗位電容中，那么開(kāi)關(guān)管兩端的電壓即被鉗位到固定值，從而減小了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。這種鉗位電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，但是變壓器激磁電感磁通復(fù)位的能量最終轉(zhuǎn)移到了電阻上，繼而轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，降低了反激式變換器的效率。

1.2 有源鉗位電路的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分析

有源鉗位電路，是指采用通態(tài)電阻較低的MOSFET 來(lái)做鉗位開(kāi)關(guān)管，主功率開(kāi)關(guān)管和鉗位開(kāi)關(guān)管相互配合，當(dāng)主功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，鉗位開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，利用電容吸收尖峰電壓。由于鉗位開(kāi)關(guān)管MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的功率損耗很低，能夠大大提高反激式變換器的效率，因此，有源鉗位電路常用在工作頻率較高的反激變換電路中，實(shí)際工作中的有源鉗位電路如圖1 所示。

圖1 有源鉗位ZVS 反激式變換器電路

2 控制導(dǎo)通與關(guān)斷的PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

離散的2P2Z 控制器傳遞函數(shù)：

PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)如圖2 所示。

3 matlab 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 主功率管電壓分析

圖2 PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖

圖3 是基于matlab/simulink，變換器工作在100KHz時(shí)的仿真結(jié)果，分別是包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時(shí)的電壓波形對(duì)比圖。

圖3 包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時(shí)的開(kāi)關(guān)管承受的電壓波形對(duì)比圖

從仿真波形中可知，在不含有源鉗位電路的反激式變換器中，因開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流變換率非常大，變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰，而含有源鉗位電路的反激式變換器，因主開(kāi)關(guān)電壓被鉗住，開(kāi)關(guān)管兩端承受的電壓應(yīng)力則明顯減小。

3.2 功率損耗分析

有源鉗位電路損耗中開(kāi)啟、關(guān)斷過(guò)程損耗占MOSFET 功率損耗的比例較大，開(kāi)通、關(guān)斷損耗計(jì)算公式如（2）、（3）：

式中，Rds(on)為實(shí)際結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻，Id為導(dǎo)通時(shí)的電流有效值，Ton為一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，f 為開(kāi)關(guān)頻率，占空比D=Ton×f；VDS為截止時(shí)的D～S 的電壓，IDSS為截止時(shí)的實(shí)際結(jié)溫下的漏電流,toff為一個(gè)周期內(nèi)的截止時(shí)間。

matlab/simulink 仿真條件設(shè)置輸入電壓30V，占空比設(shè)為0.1，工作頻率設(shè)為100kHz，負(fù)載設(shè)為2kΩ，在含有源鉗位和不含有源鉗位電路兩種情況下，主開(kāi)關(guān)管MOSFET 功率損耗波形如圖4 所示：

圖4 含有源鉗位和不含有源鉗位MOSFET 功率損耗

從仿真圖中可以計(jì)算，含有源鉗位和不含有源鉗位電路情況下，轉(zhuǎn)換效率不同，包含有源鉗位電路的轉(zhuǎn)換效率為η=97.3%，不含有源鉗位電路的轉(zhuǎn)換效率η=89.7%，由仿真波形看出，包含有源鉗位電路的主功率管MOSFET 損耗相對(duì)要小，能夠有效提高電路效率。根據(jù)仿真的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行包含有源鉗位的反激式變換電路主開(kāi)關(guān)管MOSFET電壓、電流實(shí)驗(yàn)，得到的電壓電流波形如圖5 所示：

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

從實(shí)驗(yàn)波形能夠看出，MOSFET 兩端的尖峰電壓低，說(shuō)明有源鉗位電路能夠有效削去尖峰電壓，降低MOSFET 電壓應(yīng)力，從而使開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)反激式微逆變器中的有源鉗位電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要是功率開(kāi)關(guān)管MOSFET 承受的電壓應(yīng)力和功率損耗。通過(guò)matlab 仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)表明，有源鉗位電路能夠有效降低MOSFET 承受的電壓應(yīng)力，從而減少電路的損耗。