隔離型雙向升壓全橋DC- DC 變換器效率的提高

孫飛 劉通

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

1 概述

自從Charles F.Kettering 發(fā)明了電池供電的電動(dòng)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)并啟發(fā)了直流配電以來(lái)，電池和光伏電池已經(jīng)成為實(shí)用和必不可少的能源，基于直流電的可再生能源管理系統(tǒng)也越來(lái)越受歡迎。為了滿足對(duì)更安全、更高效的可再生能源管理系統(tǒng)的最新要求，作者的興趣集中在具有隔離功能的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的底層技術(shù)上，這有助于提高系統(tǒng)的安全性和最小化系統(tǒng)的體積。廣泛的三相公用系統(tǒng)安裝迫使能源供應(yīng)商要求隔離功能，以呼吁他們的先進(jìn)安全意識(shí)[1]。

為了從可再生能源中擴(kuò)大輸入電壓范圍，以前對(duì)電流型全橋DC-DC 變換器的研究已經(jīng)提出了許多具有吸引力的候選電路。然而，現(xiàn)有的候選電路并沒(méi)有給出很好的解決方案，以滿足最近的安全要求，因?yàn)樗麄儧](méi)有提供足夠的實(shí)際安全性，或他們沒(méi)有很高的效率。

為了滿足這一要求，本文開(kāi)發(fā)了一種具有隔離功能的高頻DC-DC 變換器，該變換器包括有源緩沖網(wǎng)絡(luò)，以滿足最近10 千瓦光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求。為了進(jìn)一步利用所提出的轉(zhuǎn)換器，我們?cè)陔p向延伸上研究更有效的可充電儲(chǔ)能管理系統(tǒng)[2]。本文提出了提高隔離式雙向Boost 全橋DC-DC 變換器能量轉(zhuǎn)換效率的思路，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器與直流母線之間的有效能量轉(zhuǎn)換。

該方案除了簡(jiǎn)單的單雙向功率級(jí)外，還具有優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)頻率、半 理想的繞組比和較低的無(wú)源開(kāi)關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，提高了功率轉(zhuǎn)換效率，有源緩沖電路損耗低，輸出端同步整流。提出了隔離型雙向Boost 全橋DC-DC 變換器的進(jìn)一步效率改進(jìn)方案，優(yōu)化了開(kāi)關(guān)頻率，改進(jìn)了低損耗有源吸收網(wǎng)絡(luò)。

2 電路原理分析

所提出的帶低損耗有源緩沖網(wǎng)絡(luò)的隔離雙向Boost 全橋DC-DC 變換器的電路圖如圖1 所示。該變換器由基本Boost 全橋變換器組成，該變換器在隔離變壓器TR 的兩側(cè)具有有源開(kāi)關(guān)全橋半導(dǎo)體塊Q1-Q4 和Q5-Q8 實(shí)現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換，附加的有源緩沖器組合塊包括由Qr 和在優(yōu)化驅(qū)動(dòng)頻率、重構(gòu)隔離變壓器TR 的繞組比到半理想值、降低緩沖網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)源開(kāi)關(guān)損耗等方面，嘗試了提高效率的方案。

為了簡(jiǎn)化電路的分析和工作模式，進(jìn)行了以下假設(shè)：

圖1 具有低損耗緩沖網(wǎng)絡(luò)的隔離雙向全橋DC-DC 變換器

圖2 提出的DC-DC 變換器穩(wěn)態(tài)時(shí)的關(guān)鍵時(shí)序圖

a.晶體管、二極管、電感器和電容器無(wú)寄生元件，理想。

b.由于變換器的開(kāi)關(guān)頻率足夠高，因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，存儲(chǔ)電壓和直流母線電壓是恒定的。

圖2 顯示了所提出的DC-DC 轉(zhuǎn)換器在穩(wěn)態(tài)放電模式下的關(guān)鍵時(shí)序圖。在狀態(tài)[t0，t1]和[t2，t3]中，從Q1 到Q4 的整個(gè)全橋開(kāi)關(guān)器件被導(dǎo)通，并且初級(jí)電感器L 被退出。因此，在以下?tīng)顟B(tài)[t1，t2]或[t3，t0]中，變壓器TR 通過(guò)交替功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Q1 和Q4 或Q2 和Q3 來(lái)傳遞能量[3]。

另一個(gè)全橋開(kāi)關(guān)Q5-Q8 作為同步整流器工作，以幫助減少相應(yīng)的反并聯(lián)二極管的傳導(dǎo)損耗。在同步整流不太有效的情況下，例如在輕負(fù)載條件下，它們可以保持在放電模式下完全關(guān)閉。

開(kāi)關(guān)周期T 和接通狀態(tài)占空比Ton 在該時(shí)序圖中定義。電流iMg表示變壓器TR 的磁化電流，但由于其小于實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中所示的電流，因此常被忽略。說(shuō)明了升壓全橋變換器的基本操作，而我們有理想的規(guī)則功率在輸出負(fù)載[4]。

該電路的放電模式操作與基本單向方案相同。

模式0[t0，t1]：所有的橋開(kāi)關(guān)Q1、Q2、Q3 和Q4 都會(huì)像流行的升壓斬波器一樣，接通電感器L，而Q1 和Q4 在這段時(shí)間內(nèi)都是接通的。

模式1[t1，t2]：Q2 和Q3 在t1 和Q1 和Q4 保持時(shí)關(guān)閉，此時(shí)從電感器L 到變壓器TR 的電流是連續(xù)的。電路通過(guò)整流器開(kāi)關(guān)Q5 和Q8 向直流母線提供能量傳輸。電感器L 的電流減小。這種操作看起來(lái)像是輸出狀態(tài)下的基本Boost 變換器[5]。能量轉(zhuǎn)移一直持續(xù)到時(shí)間t2，這個(gè)時(shí)間間隔的終點(diǎn)在連續(xù)電流模式下。

模式2[t2，t3]：t2 時(shí)Q2、Q3 接通，整個(gè)橋開(kāi)關(guān)重新接通。此模式的狀態(tài)與模式0 類似。

模式3[t3，t0]：Q1 和Q4 在t3 關(guān)閉，Q2 和Q3 打開(kāi)，從電感器L 到變壓器TR 的電流是連續(xù)的。電路通過(guò)整流器開(kāi)關(guān)Q6 和Q7 向直流母線提供能量傳輸[6]。模式3 與模式1 互補(bǔ)，橫截面橋徑相反。

觀察變換器在不連續(xù)電流模式下的工作情況，在時(shí)間t2（模式1 結(jié)束）之前，初級(jí)電感器電流iL下降到磁化電流iMg的水平。當(dāng)電橋偏壓Vm在其它基波變換器的不連續(xù)電流模式下振蕩時(shí)，變換器直到t2才向直流母線提供能量傳輸。

與電壓型DC-DC 變換器不同的是，該變換器是電流型的，具有連續(xù)的偏置輸入電流到全橋開(kāi)關(guān)，并且在輕載或啟動(dòng)過(guò)程中存在能量非自愿轉(zhuǎn)移的固有問(wèn)題[7]。為了解決這一問(wèn)題，本發(fā)明的Boost 全橋變換器具有輔助有源緩沖電路，該電路包括帶有有源開(kāi)關(guān)Qr的有源復(fù)位路徑和一個(gè)二極管Drin串聯(lián)（該二極管使電感L 有源并聯(lián)短路）和有源電壓箝位電路（帶有開(kāi)關(guān)Qs），如圖2 所示。

由于隔離變壓器直流母線側(cè)的有源橋式開(kāi)關(guān)Q5-Q8，該變換器提供充電模式操作的雙向能量轉(zhuǎn)換[8]。該轉(zhuǎn)換器作為PWM全橋變換器工作，在充電模式下使用電感L 作為低通濾波器。輔助有源緩沖電路開(kāi)關(guān)Qr和Qs在充電模式下始終保持在斷開(kāi)狀態(tài)，以使用電感器L，該電感器可減輕不希望的高頻脈沖電流流向存儲(chǔ)器[9]。全橋開(kāi)關(guān)Q1-Q4 作為同步整流器運(yùn)行，有助于降低相應(yīng)的反并聯(lián)二極管的傳導(dǎo)損耗。在同步整流不太有效的情況下，例如在輕負(fù)載條件下，它們可以在充電模式下保持完全關(guān)閉。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證所提出方案的可行性和準(zhǔn)確性，研制了一臺(tái)10kw變流器樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。表1 列出了原型規(guī)格。結(jié)果用DLM2054 示波器和WT1600 型橫河儀器功率分析儀獲得了波形和效率特性。

表1 原型規(guī)格

表2 列出了轉(zhuǎn)換器部件的說(shuō)明。當(dāng)工作儲(chǔ)能電壓在280-320v 之間時(shí)，變壓器的繞組比為0.9，這與Boost 全橋方案下的理想值非常接近。直流母線電壓被調(diào)節(jié)到額定330 伏，數(shù)字控制嵌入在標(biāo)準(zhǔn)瑞薩電子微控制器上。

表2 原型組件描述

圖3 優(yōu)化振蕩頻率和改進(jìn)緩沖二極管的變換器效率特性

圖3 顯示了原型轉(zhuǎn)換器的測(cè)量效率特性。該圖表明，緩沖二極管的開(kāi)關(guān)頻率和恢復(fù)性能與所提出的變換器的能量轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)[10]。從標(biāo)準(zhǔn)快恢復(fù)二極管到超快恢復(fù)二極管或超快SiC 肖特基二極管，開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)化和緩沖二極管的性能改進(jìn)有助于提高隔離雙向全橋DC-DC 變換器的能量轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

提出了一種具有低損耗有源緩沖的隔離型雙向Boost 全橋變換器的效率提高方案。該方案具有優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)頻率、半理想的繞線比和較低的無(wú)源開(kāi)關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隔離型雙向全橋DC-DC 變換器的能量轉(zhuǎn)換效率與緩沖二極管的開(kāi)關(guān)頻率和恢復(fù)性能密切相關(guān)。優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率，將緩沖二極管從普通型升級(jí)為快恢復(fù)二極管或超快SiC 肖特基二極管，有助于提高能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，原型10kw變換器的效率得到了較大的提高，滿足了現(xiàn)代可再生能源管理系統(tǒng)應(yīng)用的要求。