基于三半橋拓撲的雙向DC/DC變換器軟開關條件研究

1 引言

雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據需要調節能量傳遞方向，實現電能雙向流動的直流變換器[1]。多端口雙向DC/DC變換器使多個電源互連，實現了多級電源之間多個方向的能量傳輸。三半橋雙向DC/DC變換器是一種新型的三端口變換器，它通過磁耦合將不同的電源結合在一起，通過移相控制實現同時或單獨向負載供電。該變換器拓撲所具有低壓/高電流的輸入特性；雙向功率流動；開關管數量少，結構簡單等優勢。三半橋雙向DC/DC變換器在正向模式下的工作原理和換流過程與單輸入ZVS雙半橋DC/DC變換器是相似的，但是其軟開關的條件以及影響軟開關的因素都和單輸入ZVS雙半橋DC/DC變換器不同。因此，研究三半橋雙向DC/DC變換器的軟開關的實現條件是十分有意義的。

2 三半橋變換器的工作原理

隔離型三半橋DC/DC變換器的主電路包含兩個輸入級組合式升壓半橋電路，一個三繞組的高頻變壓器，以及一個輸出級電壓型半橋電路。將變壓器用其等效模型[2，3]替換，其主電路以原邊為參考的等效電路如圖1所示。

圖1三半橋DC/DC變換器以原邊為參考的等效電路

在正向（Boost）模式下，一個完整的開關周期根據狀態的不同可以劃分成t0～t19共19個工作區間。這里假設t1時刻之前的穩態對應于開關管S1導通，開關管S5和S3的反并聯二極管D5, D3因正向偏置而導通。具體模態如下。

⑴　 模態1（t0～t1）

在t1時刻之前，電路達到穩態，S1, D5和D3導通，Vcr2=V1+V2電感Ldcl、Ldc2均在釋放能量，兩個輸入端的電感電流均在線性下降。此階段電容C1經S1放電，C2充電，電容C5經二極管D5充電，C6放電，原邊所提供的功率除傳遞給負載外，同時給電容C3充電。

⑵　模態2(t1～t2)

t1時刻S1關斷，Cr1、Cr2與Tr諧振，Cr1充電，Cr2放電，Vcr2從Vcr2=V1+V2開始降低，Vr12＝Vcr2－V2也因此降低，電容Cr1、Cr2的電壓變化率為Vcr2=（V1+V2）－Vr1， 時刻Vcr2由0開始變負時，D2開始因正偏而導通。原邊電流ir56在正向電壓作用下線性增加，并且由負變正。

⑶　模態3 (t2～t3)

t2時刻D2導通，將S2的端電壓箝位在0，此模態下任一時刻內給S2加驅動信號，即可實現S2的零電壓(ZVS)開通。原邊電流ir12線性降低，ir56繼續增加直至t3時刻。

⑷　模態4(t3～t4)

t3時刻，當原邊電流ir56大于輸入電感電流idc2時，開關管S5導通，原邊電流ir56繼續增加，ir12則繼續降低，直到t4時刻ir12=idcl 。

⑸　模態5(t4～t5)

t4時刻，當原邊電流ir12小于輸入電感電流idcl時，開關管S2導通。在這一階段，ir12繼續下降至反向變負。

⑹　模態6(t5～t6)

t5時刻S5關斷，Cr5、Cr6與變壓器Tr漏感諧振。Cr5充電，其電壓不斷升高，Cr6放電，其電壓不斷降低。電壓變化率主要與t5時刻原邊電流值ir56(t5)有關。t6時刻Ｖcr6由0開始變負時，D6開始因正偏而導通。原邊電流ir12繼續下降，ir56在負電壓作用下開始降低，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性下降。

⑺　模態7(t6~t7)

t6時刻D6導通，將S6的端電壓箝位在0。此模態下任一時刻內給S6加驅動信號，即可實現S6的零電壓(ZVS)開通。副邊電流ir34繼續降低。

⑻　模態8(t7～t8)

t7時刻，副邊電流ir34反向為負，電流由D3換流到S3中，D3阻斷，S3導通。原邊電流ir56繼續降低，直到t8時刻ir56= idc2。

⑼ 模態9（t8～t9）

t8時刻，當原邊電流ir56小于輸入電感電流idc2時，開關管S6導通。

⑽　模態10(t9～t10)

t9時刻S3關斷，Cr3、Cr4與變壓器Tr漏感諧振，Cr3充電，Cr4放電，充放電電壓變化率與t9時刻的副邊電流值ir34(t9)有關。t10時刻Ｖcr4由0開始變負時，D4因正偏而導通。原邊電流ir56持續降低，并開始反向變負。

⑾　模態11（t10～t11）

t10時刻D4導通，將S4的端電壓箝位在0。此模態下任一時刻內給S4加驅動信號，即可實現S4的零電壓(ZVS)開通。

⑿　模態12(t11～t12)

t11時刻S2關斷，Cr1、Cr2與變壓器Tr漏感諧振，Cr2充電，其電壓不斷升高，Cr1放電，其電壓不斷降低，電壓變化率主要與t11時刻原邊電流值ir12(t11)有關。t12時刻
Ｖcr1由0開始變負時，D1開始因正偏而導通。

⒀　模態13(t12～t13)

t12時刻D1導通，將S1的端電壓箝位在0，此模態下任一時刻內給S1加驅動信號，即可實現S1的ZVS開通。原邊電流ir12在正向電壓的作用下線性增長，并開始由負過0變正。

⒁ 模態14(t13～t14)

t13時刻S6關斷，Cr5、Cr6與變壓器Tr漏感諧振，Cr6充電，Cr5放電，電壓變化率主要與t13時刻原邊電流值ir56(t13)有關。t14時刻Vcr5由0開始變負時，D5開始因正偏而導通。

⒂　模態15(t14～t15)

t14時刻Vcr5＝0，D5正偏導通，將S5端電壓箝位在0。原邊電流ir12繼續線性增加直至t15時刻ir12= idc1，ir56在正電壓的作用下也在線性增長，副邊電流ir34= ir12+ir56也因此而線性增加。此模態下任一時刻內給S5加驅動信，即可實現S5的零電壓(ZVS)開通。

⒃　模態16(t15～t16)

t15時刻，當原邊電流ir12大于輸入電感電流icd1時，開關管S1導通。副邊電流ir34線性增加直至t16時刻ir34=0。

⒄　模態17(t16～t17)

t16時刻，當副邊電流ir34由負過0時，電流由D4換流到S4中，S4導通。

⒅　模態18(t17～t18)

t17時刻S4關斷，Cr3、Cr4與變壓器Tr漏感諧振，Cr4充電，其電壓不斷升高，Cr3放電，其電壓不斷降低，電壓變化率主要與t17時刻副邊電流值ir34(t17)有關。當t18時刻Cr3端電壓過0變負時，D3自然導通，在t17～t18期間S3可以零電壓開通。此后，又回到模態1，電路又開始下一周期的模態循環。

根據以上分析可知，隔離式三半橋ＤＣ/DC變換變壓器原副邊，在一個開關周期的電壓電流波形及開關管時序如圖2所示。

圖2正向模式下電流電壓工作波形以及開關時序圖

ＤＣ/ＤＣ變換器兩側拓撲結構的對稱性，反相（Buck）模式的工作原理與正向（Boost)模式是相似的。這里就不贅述。

3 軟開關條件

三半橋雙向DC/DC變換器在正方向模式下的工作原理，和換流過程與單輸入ZVS雙半橋雙向DC/DC變換器是相似的[4] 。開關器件關斷時，會將其中通過的電流轉移到相應的箝位電容中與變壓器漏感諧振，與同一橋臂上兩個開關管并聯的箝位電容分別進行充電和放電，電壓線性上升和下降，從而實現零電壓關斷。而零電壓開通的實現，是通過使已施加正向驅動信號的開關管在反并聯二極管導通時開通。

在Boost模式下開關管S4～S6零電壓開關（ZVS）的實現，與開關管關斷前時刻原副邊電流的狀態有關，由其工作原理分析可知，不同時刻電流要求如式（1）所示。

其中Ø13，Ø53分別為與電源Vin1，Vin2連接的兩個組合式半橋拓撲單元，與輸出側電壓型半橋拓撲單元驅動信號之間的移相角， Ø15為兩個組合式半橋電路之間的移相角。

將函數fl到f6分別與控制變量Ø13，Ø53繪成三維圖，低壓側開關管S1，S2和S5，S6的軟開關條件受到Ø13，Ø53范圍的限制。當Ø13取值較大，Ø13取值較小，或者兩者同時都取較大值時，f1,2,4,5>0的條件就容易得到滿足，這就意味著三半橋DC/DC變換器一個輸入級電路開關管的軟開關條件，要受到另一個輸入級中控制變量的影響。高壓側開關管S3, S4在變換器輸出功率整個可調范圍內都能實現軟開關。在實際工作中，為了對變換器所傳輸的無功功率進行限制，Ø13，Ø53可調范圍都被限定在的范圍內[5]。因此，要根據變換器兩個輸入級電路控制變量之間的相互影響，合理選取移相角Ø13，Ø53的值。

5 仿真驗證

在進行了理論分析后，對上文三半橋DC/DC變換器在Boost和 Buck兩種工作模式下的軟開關條件進行仿真驗證，

圖3 和圖4中，分別顯示了三半橋DC/DC變換器在Boost和Buck兩種工作模式下，低壓側和高壓側開關管電壓和電流仿真波形。以Boost模式下低壓側開關管S5為例，在S5關斷前，漏感電流Ir56達到正向最大值并且大于Idc2，Ids50 ，S5反并聯二極管導通，S5關斷時Vds5=0，實現了零電壓關斷。而在S5導通前，Ids5反向小于0，通過開關管的反并聯二極管續流，并且在t時刻，Ids5從二極管換流到開關管S5中，實現了S5的零電壓導通。同理，在Boost和Buck兩種工作模式下，低壓側開關管S1、S2、S5、S6和高壓側開關管S3、S4均能實現零電壓導通和關斷(ZVS)。

圖3　Boost模式下開關管電壓和電流仿真波形

圖4　Buck模式下開關管電壓和電流仿真波形

6 結論

通過對三半橋DC/DC變換器在Boost和 Buck兩種工作模式下工作原理的分析，得出了三半橋DC/DC變換器實現軟開關的條件，并對軟開關條件的范圍進行了分析，得出了影響三半橋DC/DC變換器軟開關條件的因素。

通過仿真驗證，結論如下：

⑴ 三半橋DC/DC變換器在Boost工作模式下的軟開關條件如式（1）所示。

⑵ 三半橋DC/DC變換器在Buck工作模式下的軟開關條件如式（2）所示。

⑶ 三半橋DC/DC變換器，一個輸入級電路開關管的軟開關條件要受到另一個輸入級中控制變量的影響，要根據變換器兩個輸入級電路控制變量之間的相互影響，合理選取移相角的值。

參考文獻

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