緩沖電容對全橋DC～DC變換器的影響分析

黃建坤 譚曉東

摘 ?要：在研究中發(fā)現(xiàn)與開關(guān)管相并聯(lián)的電容沒有得到足夠的重視，一直是作為其自身的寄生電容而存在，并沒有當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的器件參與到工作過程中來。文章在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了緩沖電容不僅可以有效影響到橋臂間高頻鏈環(huán)節(jié)電壓波形，而且不需要增加額外的開關(guān)管及儲(chǔ)能元件就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVZCS導(dǎo)通和ZVS關(guān)斷，取得了有效的研究效果。

關(guān)鍵詞：全橋DC～DC變換器;緩沖電容;全軟開關(guān);波形抑制

中圖分類號(hào)：TM46 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0079-03

Abstract： In the research， it is found that the capacitance connected in parallel with the switch tube has not received enough attention， and it has always existed as its own parasitic capacitance， instead of participating in the working process. On the basis of summarizing previous studies， it is found that the buffering capacitance can not only effectively affect the voltage wave-form of the high-frequency link between the bridge arms， but also realize the ZVZCS break-over and ZVS turn-off without adding additional switching tubes and energy storage elements， which has very important research significance.

Keywords： full-bridge DC～DC converter; buffer capacitance; all-soft switch; wave-form restraint

1 概述

本文對電容緩沖式全橋DC～DC變換器采用死區(qū)移相控制策略。此種控制方式不僅可以實(shí)現(xiàn)全橋DC～DC變換器的全軟開關(guān)行為，而且可以良好的抑制高頻鏈路中電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的du/dt，減少了對變壓器絕緣的損害。文中針對電容緩沖式全橋DC～DC變換器的開關(guān)特性和工作原理進(jìn)行細(xì)致的分析，并給出了各種工作狀態(tài)的電路模型及公式;深入討論了死區(qū)時(shí)間的設(shè)定條件，分析了緩沖電容的取值范圍;最后搭建了系統(tǒng)的仿真模型，并通過取得的波形驗(yàn)證理論的正確性。

2 電容緩沖式全橋DC～DC變換器工作原理分析

文中對電容緩沖式全橋DC～DC變換器采用死區(qū)移相控制策略，并針對變換器的開關(guān)特性和工作原理進(jìn)行分析，下圖1是電容緩沖式全橋DC～DC變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2是死區(qū)移相控制工作原理圖。

圖中，C為輸入電容，S1～S4為主開關(guān)管，VD1～VD4是主開關(guān)管上反并聯(lián)的二極管，C1～C4是包含有開關(guān)管自身寄生電容的緩沖電容，Lr為原邊諧振電感（包含變壓器漏感和串聯(lián)的電感），Cb是隔直電容，用來阻斷原邊電路中產(chǎn)生的電流直流分量。由于輸出電壓比較低，副邊采用變壓器帶中心抽頭的全波整流電路，D1、D2是整流二極管，L0、C0組合成了LC濾波電路，輸出電壓經(jīng)過濾波電路給負(fù)載RL提供穩(wěn)定的直流電壓。

具體電路的工作過程分析如下。

工作狀態(tài)1（t0前）：在t0前，主開關(guān)管S2與S4導(dǎo)通，S1、S3關(guān)斷，兩橋臂間電壓uab等于輸入電壓Ud，電感電流iL增加至反向最大，并保持穩(wěn)定。此階段由輸入電壓通過變壓器向負(fù)載提供能量，副邊二極管D2導(dǎo)通，D1關(guān)斷，輸出 電流Io保持穩(wěn)定輸出，此階段電路方程如式（2-1）。

工作狀態(tài)2（t0-t1）：在t0-t1階段，t0時(shí)主開關(guān)管S2與S4關(guān)斷，由于處于死區(qū)時(shí)間內(nèi)，S1和S3并不直接導(dǎo)通，而此時(shí)刻與主開關(guān)管S2與S4相并聯(lián)的緩沖電容C2與C4上的電壓依舊保持為零，因此實(shí)現(xiàn)了零電壓（ZVS）關(guān)斷。在主開關(guān)管S2與S4關(guān)斷后，因?yàn)榫彌_電容C1與C3的箝位作用，與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管不能立刻導(dǎo)通。此階段內(nèi)，由諧振電感通過變壓器向負(fù)載供電，橋臂間的中點(diǎn)電壓uab呈現(xiàn)下降趨勢。同時(shí)，緩沖電容C1與C3放電，經(jīng)由不同的通路對C2與C4充電，電流主要流經(jīng)：（1）C1與C2，對C1進(jìn)行放電，對C2進(jìn)行充電;（2）C3與C4，對C3進(jìn)行放電，對C4進(jìn)行充電。因?yàn)閰?shù)完全相同，流經(jīng)每一通路的電流均是iL的一半，此階段電路方程如式（2-2）。

工作狀態(tài)3（t1-t2）：在t1-t2階段內(nèi)，死區(qū)時(shí)間依然存在，緩沖電容C1與C3上的電荷不為零，系統(tǒng)仍舊處于放電階段，并保持與上一階段相同的電流通路進(jìn)行放電。兩橋臂間的電壓uab在此階段開始正向增加，向負(fù)載提供的能量依然來自于諧振電感中存儲(chǔ)的電能。在此階段內(nèi)，電感電流iL保持不變向，其值呈下降趨勢。在階段末，電容C1與C3中的能量全部轉(zhuǎn)移到C2與C4中。式（2-2）中的電路函數(shù)關(guān)系也適用于此階段，電路方程同工作狀態(tài)2。

工作狀態(tài)4（t2-t3）：在t2-t3階段，t2時(shí)，緩沖電容間的電荷全部轉(zhuǎn)移完成，uc1與uc3變?yōu)榱悖瑄c2與uc4變?yōu)閁d。工作在此階段內(nèi)，電感電流值在持續(xù)減少，并保持原來的方向不變。同時(shí)，與主開關(guān)管器件S1與S3反并聯(lián)的續(xù)流二極管VD1與VD3導(dǎo)通，變壓器原邊開始通過二極管進(jìn)行續(xù)流，uab上升到Ud，電路經(jīng)過VD3、Cb、T、Lr、VD1進(jìn)行續(xù)流，電路表達(dá)式為式（2-3）。

工作狀態(tài)5（t3-t4）：在t3-t4階段，t3時(shí)刻，死區(qū)時(shí)間結(jié)束，控制電路給出主開關(guān)管S1與S3的觸發(fā)脈沖，使得S1與S3導(dǎo)通。同時(shí)，與之相反并聯(lián)的續(xù)流二極管VD1與VD3尚且處于導(dǎo)通的狀態(tài)，故而，主開關(guān)管S1與S3實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流（ZVZCS）導(dǎo)通，電路方程同工作狀態(tài)4。

3 死區(qū)時(shí)間及緩沖電容的確定原則

3.1 死區(qū)時(shí)間確定原則

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

仿真模型的搭建中，選擇的各元器件參數(shù)如下：Ud為600V，Uo是36V;經(jīng)過計(jì)算，死區(qū)系數(shù)選為0.18，D為0.46;隔直電容為1.2μF，緩沖電容為76nF;諧振電感Lr為0.02mH，輸出濾波電容為10mF，輸出濾波電感為5μH，變換器開關(guān)頻率是50KHz。具體的仿真結(jié)果如下列圖形所示。

從上述兩幅圖比較來看，擁有緩沖電容的電路電壓變化更加接近于余弦曲線變化，對du/dt的抑制效果顯著;而且電壓在切換時(shí)刻的峰值電壓有所下降，減小了開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，對器件和變壓器有著很好的保護(hù)作用。

5 結(jié)束語

本文主要針對電容緩沖式全橋DC～DC變換器電路控制技術(shù)進(jìn)行研究。首先介紹了移相控制與死區(qū)移相控制兩種控制方式的基本工作原理，并介紹了死區(qū)移相控制方式的優(yōu)點(diǎn)，指出此控制方式的研究重點(diǎn);其后對電容緩沖式全橋DC～DC變換器的工作原理進(jìn)行了細(xì)致的分析，給出了各種工作狀態(tài)的電路模型公式;再次深入討論了死區(qū)時(shí)間的設(shè)定條件，分析了緩沖電容的取值范圍，并給出了隔直電容的取值范圍求取條件;最后通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析，得到了緩沖電容對du/dt的抑制作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫謙浩，王裕，宋強(qiáng)，等.應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的雙向全橋直流變換器比較分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2017，10：37-10.

[2]ENGEL S P，SOLTAU N，STAGGE H，et al. Dynamic and balanced control of three-phase high-power dual-active bridge DC-DC converter in DC-grid applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013，28（4）：1880-1889.

[3]趙成勇，李路遙，翟曉萌，等.新型模塊化高壓大功率DC/DC變換器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（4）：72-78.

[4]楊海濤，等.車載輔助電源DC/DC變換器的研制[D].浙江大學(xué)，2014，6.

[5]孫晨光.ZVS全橋變換器的大功率智能充電機(jī)的研制[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[6]張興柱.開關(guān)電源功率變換器拓?fù)渑c設(shè)計(jì)[M].中國電力出版社，2010.

[7]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[8]李文龍.開關(guān)電源技術(shù)的最新進(jìn)展[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（8）：53-48.

[9]陳長江，姜幼卿.逆變電源緩沖電路與隔直電容的參數(shù)計(jì)算[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，2.

[10]王學(xué)梅，張波，丘東元.DC-DC變換器主要技術(shù)的發(fā)展綜述[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.