隔離三端口變換器軟開(kāi)關(guān)分析與實(shí)驗(yàn)

趙君力

北京機(jī)電工程研究所，北京 100083

近年來(lái)，隔離型三端口變換器在新能源發(fā)電、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車以及儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用等需要同時(shí)連接和控制多個(gè)電源或者負(fù)載的場(chǎng)合中受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，是電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題[1?4]。隔離型三端口變換器通過(guò)三繞組高頻變壓器進(jìn)行能量的傳遞，具有電氣隔離、能夠自由匹配電壓等級(jí)等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)變壓器匝數(shù)比，隔離型三端口變換器可以實(shí)現(xiàn)在不同電壓等級(jí)之間的電能傳輸，并且可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)端口全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行[5?7]。這對(duì)于提高功率變換器效率、降低損耗、提高功率密度是非常有益的。然而當(dāng)端口電壓或者負(fù)載功率在比較寬的范圍變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)1 個(gè)或者2 個(gè)端口不能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的情況，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加[8?10]。因此在三端口變換器設(shè)計(jì)階段，通過(guò)理論分析可以準(zhǔn)確地確定出在端口電壓和負(fù)載功率變化情況下的三端口變換器軟開(kāi)關(guān)范圍，這是一件非常有意義的工作，有助于整個(gè)變換器系統(tǒng)效率和功率密度設(shè)計(jì)的優(yōu)化。本文通過(guò)分析隔離三端口變換器各端口與全橋變換器連接的變壓器繞組中的電流波形和全橋變換器橋臂中點(diǎn)電壓波形之間的關(guān)系，通過(guò)理論計(jì)算得出全橋變換器各開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行的條件，進(jìn)而利用MATLAB 軟件形象地繪制在特定電氣參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)功率器件軟開(kāi)關(guān)的范圍，并通過(guò)仿真和實(shí)際硬件電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與軟開(kāi)關(guān)分析

本文所研究的隔離型三端口變換器如圖1 所示。圖中端口1 為輸入電源端口(可以為新能源發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板等)。其全橋開(kāi)關(guān)管為S1～S4，其中S1和S3，S2和S4均工作在互補(bǔ)狀態(tài)，占空比均為50%。橋臂A 和橋臂B 之間的移相角為180°。端口2 和端口3 分別為負(fù)載端口和儲(chǔ)能端口，其開(kāi)關(guān)管的工作模式與端口1 的情況完全一致。端口2 和端口3 對(duì)應(yīng)的參數(shù)都折算到端口1，可得到圖1(b)所示的△連接的等效電路[11]，如圖中v'2、v'3分別為v2和v3折算到端口1 的對(duì)應(yīng)橋臂中點(diǎn)電壓。

圖1 隔離型三端口變換器

以v1為參考，v2(v2')和v3(v3')與v1之間的移相角分別為?12和?13，它們之間的關(guān)系可以用圖1(c)來(lái)表示。圖1(a)中的L1、L2和L3分別為3 個(gè)端口與變壓器繞組串聯(lián)的電感，經(jīng)變換后得到在圖1(b)所示的△連接的等效電路中的L12、L13和L32，可表示為

式中N1、N2和N3分別表示3 個(gè)端口的繞組匝數(shù)。

根據(jù)圖1(b)的△等效電路可以看出，隔離型三端口變換器可以看成3 個(gè)兩兩作用的雙有源橋變換器，因此通過(guò)分析雙有源橋變換器中高頻變壓器繞組的電流，可以得出隔離型三端口變換器的各端口電流狀況，進(jìn)而可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件進(jìn)行分析研究。假設(shè)端口3 開(kāi)路，則可將端口1 和端口2 可看作一個(gè)雙有源橋變換器，如圖2所示。

圖2 雙有源橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2，將端口2 參數(shù)折算到端口1，可得到雙有源橋變換器的簡(jiǎn)化等效電路模型如圖3 所示。

圖3 雙有源橋變換器的簡(jiǎn)化等效電路模型

假設(shè)V1r和V2r表示v1和v2′的穩(wěn)態(tài)幅值，其中V1r=vS1，V2r=vS2/n1，n1=N2/N1。同理，可設(shè)V3r=vS3/n2，n2=N3/N1。忽略死區(qū)時(shí)間，假設(shè)開(kāi)關(guān)過(guò)程瞬時(shí)完成，即電流從一個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)移到另一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管瞬時(shí)完成，則可得圖4 所示的電壓與電流波形。

圖4 雙有源橋電壓和電流波形

如圖4 所示，端口1 橋臂中點(diǎn)的電壓超前端口2 橋臂中點(diǎn)的電壓，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中根據(jù)v1和v2'的上升和下降邊沿有4 種開(kāi)關(guān)模態(tài)。根據(jù)圖3 所示等效電路和圖4 所示開(kāi)關(guān)模態(tài)，可得4 種模態(tài)下折算后的端口1 繞組中的電流i12：

聯(lián)立式(1)～(3)，可得i12和i13在t0、t1和t2時(shí)刻(轉(zhuǎn)折點(diǎn)處)的值分別為

對(duì)照?qǐng)D1(a)以端口1 為例。若要實(shí)現(xiàn)端口1 全 橋 變 換 器 的 零 電 壓 開(kāi) 通(zero voltage switch ON，ZVS ON)，則需要使i1在相位上滯后v1，即i1的過(guò)零點(diǎn)滯后于v1的過(guò)零點(diǎn)，這樣可以保證在開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)刻，其反并聯(lián)二極管處于導(dǎo)通續(xù)流狀態(tài)。例如對(duì)應(yīng)v1的下降沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻t3需滿足：

同理，可得到為了實(shí)現(xiàn)端口2 和端口3 變換器ZVS ON，需滿足條件：

定義d12=vS2/(n1vS1)、d13=vS3/(n2vS1)、?32=?12??13，并假設(shè)L12=L13=L32，根據(jù)式(4)、(5)可以得到：

求解式(6)并化簡(jiǎn)整理后可得實(shí)現(xiàn)三端口變換器軟開(kāi)關(guān)的條件為(按照端口1 到端口3 的順序自上而下排序)

根據(jù)式(7)，在MATLAB 中用m 語(yǔ)言編程可形象地繪制出變換器的軟開(kāi)關(guān)范圍。例如，當(dāng)固定vS3和?13時(shí)，可得實(shí)現(xiàn)三端口變換器軟開(kāi)關(guān)(ZVS ON)時(shí)d12與?12需要滿足的關(guān)系，如圖5 所示。圖5 中，陰影部分表示3 個(gè)端口的變換器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS ON 的范圍。由圖5 分析可見(jiàn)，當(dāng)任意兩端口的移相角和電壓等級(jí)確定后，三端口變換器開(kāi)關(guān)管的ZVS ON 范圍與各個(gè)端口之間的移相角絕對(duì)值的大小有密切的關(guān)系，絕對(duì)值越大，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)范圍也越大。此外，由圖5(a)、(c)和(d)對(duì)比可知，三端口變換器軟開(kāi)關(guān)的范圍與3 個(gè)端口間電壓相對(duì)大小(即d12、d13)有關(guān)，某一端口電壓增大，則該端口實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)范圍變大而其他2 個(gè)端口減??；反之，則該端口實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)范圍減小而其他2 個(gè)端口增大。對(duì)于隔離三端口變換器而言，d12=1 且d13=1 時(shí)所有端口實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的范圍最大[12?13]。

圖5 不同條件下軟開(kāi)關(guān)范圍

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真模型

利用MATLAB/Simulink 仿真軟件，通過(guò)搭建隔離三端口變換器的仿真模型來(lái)驗(yàn)證上述理論分析的正確性。所搭建的Simulink 仿真模型如圖6所示。其中，移相模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示(以圖6 中的PSPWM2 模塊為例)。

圖 6 Simulink 仿真模型

圖7 移相模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率與一個(gè)開(kāi)關(guān)周期(2π)所對(duì)應(yīng)的角度(360°)乘積的積分所產(chǎn)生的斜坡信號(hào)與所設(shè)置移相角作差，其結(jié)果以360 為模進(jìn)行取余運(yùn)算。這樣便產(chǎn)生了頻率為20 kHz、幅值為360 的周期性鋸齒波信號(hào)，將其作為載波信號(hào)。所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。端口1 和端口2 的移相模塊的輸出波形如圖8 所示。

圖8 移相模塊波形

可以看出，端口1 的載波信號(hào)超前于端口2 的載波信號(hào)。因此，3 個(gè)端口在相同的調(diào)制信號(hào)下(本文為180，即載波幅值的一半，產(chǎn)生50%占空比的脈沖信號(hào))。端口1 的開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖將超前于端口2 的開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)，這是因?yàn)?端口變換器載波信號(hào)之間的相位差即為觸發(fā)信號(hào)之間的移相角，從而實(shí)現(xiàn)了不同端口之間的移相控制。

2.2 仿真過(guò)程

本文分別對(duì)2 種負(fù)載情況進(jìn)行開(kāi)環(huán)仿真，仿真參數(shù)如表1 所示。情況A 為RL=45 Ω，情況B為RL=25 Ω。2 種情況下負(fù)載電壓vS2均保持為180 V。通 過(guò) 計(jì) 算，RL=45 Ω 時(shí) 移 相 角?12=35.5°，?13=21.7°；而在RL= 25 Ω 時(shí)?12=52°，?13=7.1°。這樣使得在2 種負(fù)載情況下，端口2 的輸出電壓保持不變。如圖5(a)、(b)中的標(biāo)注所示。觀察工作點(diǎn)A、B可見(jiàn)，處于較輕負(fù)載的情況A 時(shí)，圖5(a)中A點(diǎn)的位于陰影區(qū)所示的公共軟開(kāi)關(guān)區(qū)域之外，根據(jù)式(7)可知端口1 和端口2 均能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，端口3 無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS ON。當(dāng)處于較重負(fù)載的情況B 時(shí)，圖5(b)中的B點(diǎn)位于陰影區(qū)域內(nèi)部，故端口1、2 和3 均能實(shí)現(xiàn)ZVS ON。

表1 仿真模型的主要參數(shù)

接下來(lái)分別對(duì)情況A 和B 進(jìn)行仿真測(cè)試。對(duì)于較輕負(fù)載的情況A，三端口變換器橋臂中點(diǎn)電壓和變壓器原邊繞組的電流仿真波形如圖9 所示。

圖9 RL=45 Ω 時(shí)的電壓和電流仿真波形

由圖9 可知，在此情況下，端口1 和端口2 的變壓器繞組電流i1和i2分別在電壓v1和v2上升沿時(shí)為負(fù)值，而在電壓v1和v2的下降沿時(shí)為正，因此端口1 和端口2 可以實(shí)現(xiàn)ZVS ON；而端口3 變壓器繞組電流i3在電壓v3的下降沿時(shí)為負(fù)值，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，硬關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生更多的損耗。

對(duì)于較重負(fù)載的情況B，3 個(gè)端口變換器橋臂中點(diǎn)電壓和變壓器原邊繞組的電流波形圖如圖10所示?？梢?jiàn)，在此情況下對(duì)應(yīng)v1、v2和v3的上升沿，i1、i2和i3均為負(fù)值，而在三端口變換器橋臂中點(diǎn)電壓的下降沿時(shí)為正值，因此3 個(gè)端口的全橋變換器的開(kāi)關(guān)管都可以在此情況下實(shí)現(xiàn)ZVS ON。這與前文理論分析的結(jié)果是吻合的。

圖10 RL=25 Ω 時(shí)的電壓和電流仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在理論分析和仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，搭建了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隔離三端口變換器的硬件實(shí)物圖如圖11 所示，硬件電路的主電路部分包括3 個(gè)相同的控制板、含驅(qū)動(dòng)電路的全橋變換器、三繞組高頻變壓器、負(fù)載電阻、直流輸入電源和蓄電池?？刂埔許TM32F407IGT6 控制器為核心，通過(guò)其集成的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(flexible static memory controller，F(xiàn)MSC)總線與FPGA 芯片EP4CE6E22C8接口，由后者產(chǎn)生12 路移相控制脈沖信號(hào)。

圖11 硬件實(shí)驗(yàn)電路

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)STM32F407IGT6 設(shè)定各端口的移相角，將這個(gè)移相角信號(hào)通過(guò)FSMC總線傳輸至EP4CE6E22C8 芯片。對(duì)于較輕負(fù)載的情況A，分別設(shè)置移相角?12=35.5°、?13=21.7°。實(shí)驗(yàn)波形如圖12 所示。由圖可知，在此情況下，端口1 和端口2 的變壓器繞組電流i1和i2都分別在其變換器橋臂中點(diǎn)電壓v1和v2的上升沿時(shí)為負(fù)值，而在橋臂中點(diǎn)電壓的下降沿時(shí)為正值，因此可以實(shí)現(xiàn)ZVS ON。而端口3 的變壓器繞組電流在其全橋變換器橋臂中點(diǎn)電壓v3的下降時(shí)為負(fù)，因此該變換器在此情況下是硬開(kāi)通的。

圖12 RL=45 Ω 時(shí)的電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形

對(duì)于負(fù)載較重的情況B，分別設(shè)置移相角?12=52°、?13=7.1°。實(shí)驗(yàn)波形如圖13 所示。

圖13 RL=25 Ω 時(shí)的電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形

可見(jiàn)， 3 個(gè)端口的變壓器繞組電流都分別在各變換器橋臂中點(diǎn)電壓的上升沿時(shí)為負(fù)值，而在各變換器橋臂中點(diǎn)電壓下降沿時(shí)為正值， 因此3 個(gè)端口的全橋變換器的開(kāi)關(guān)管在此情況下都可以工作在ZVS ON 狀態(tài)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論分析和仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果具有很好的一致性。

4 結(jié)論

基于隔離三端口變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，本文分析了隔離型三端口變換器實(shí)現(xiàn)ZVS ON 的工作范圍，利用MATLAB/Simulink 仿真工具對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上利用硬件電路對(duì)理論分析和仿真的結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證。結(jié)果表明：理論分析所得出的特定條件下三端口變換器的軟開(kāi)關(guān)范圍表達(dá)式的準(zhǔn)確性得到了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以用于實(shí)際系統(tǒng)研制時(shí)的輔助設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，有助于整個(gè)變換器系統(tǒng)效率和功率密度的提高。