【正文】 fi?67Lfi Cc6Q是硬關(guān)斷，此時(shí)鉗位二極管 導(dǎo)通，電流 一路進(jìn)入鉗位電容 ，鉗位電容電7QCDf壓 不斷增加，另一路進(jìn)入變壓器原邊線圈，原邊電流 從零逐漸增加，增長(zhǎng)率與CcV 39。pi鉗位電容電壓 成正比，和變壓器漏電感 成反比。由于鉗位二極管 導(dǎo)通，故Cc 2r CD在 時(shí)刻使鉗位開關(guān)管 導(dǎo)通， 為 ZVS 開通。1tQC24(a)(b)Q7， 6Q5， 8Qc39。piLfiCci0000000tttttttTT26t5t42t1 3tQ58DcOnQ58cOnQ58OnQ567Q8OnDc78t9t10t1t2D5 T 1:nLf Lr2C5 CfD7C7D6C6 D8C8D1D3D2D4N1N2Q5Q6Q7Q8 V1+Cb2DcCcQcV2 1R25(c)圖 雙向全橋 DC/DC 變換器放電模式等效電路模態(tài) 2 ： 時(shí)， 導(dǎo)通（MOSFET 開關(guān)管反向?qū)ǎ?， 關(guān)斷。 時(shí)，??1t:1t?CQCD2t?變壓器漏感電流 ，鉗位電容 充電電流 ， 充電到最大值。 、39。pLfi Cc0i?cV6Q上并聯(lián)電容 、 電壓也增大到最大值。7Q6C7模態(tài) 3 ： 時(shí)，電流 在變換器輸出電壓 折射到原邊電壓 作用??2t:2t?Lfi 22/Vn下逐漸下降，不足以提供負(fù)載電流，鉗位電容 開始供電， ， 正向?qū)?。CCc0iC7Q7C6+ Q6CcDc C7Q7C6+ Q6CcC7Q7C6+ Q6CcQ7+ Q6CcC7Q7C6+ Q6CcLf LfLfLfLfQ7+ Q6CcLfQcQ5 Q8 QcQ5 Q8QcQ5 Q8QcQ5 Q8Q5Qc Q8 QcQ5 Q8模 態(tài) 1[t0~] 模 態(tài) 2[t1~]模 態(tài) 3[t2~] 模 態(tài) 4[t3~]模 態(tài) 5[t4~] 模 態(tài) 6[t5~]2V 2V2V2V2V2V2bC 2bC2bC 2bC2bC 2bCDc Dc+++ + ++++++ ++++ 2 上并聯(lián)電容 、 電壓也逐漸下降。 時(shí)，鉗位電容 放電電流 。6Q76C7 3t?CCc0i?模態(tài) 4 ：這期間鉗位電容 不供電，電池和儲(chǔ)能電感 一起向負(fù)載提供??3t:CfL能量，并因儲(chǔ)能電感 能量逐漸較少和變換器輸出電壓的作用，電流 、 逐漸減fL fi39。p小。 時(shí)， 在下降到最小， 、 再次導(dǎo)通。由于開通時(shí)開關(guān)管上有電壓，所4t?fi6Q7以 、 是硬開通。 時(shí)，鉗位開關(guān)管 在零電流下關(guān)斷，實(shí)現(xiàn) ZCS 關(guān)斷。6Q74t?C模態(tài) 5 ： 時(shí)， 同時(shí)導(dǎo)通，電池電壓 加于儲(chǔ)能電感 上，電??4t:58:2VfL流 又開始增長(zhǎng)。此時(shí)， 在電壓 和變換器輸出電壓折射到原邊的電壓 的Lfi 39。pi2CbV2/Vn作用下逐漸較少，于 時(shí)， 。5t?39。0模態(tài) 6 ：這期間， 同時(shí)導(dǎo)通， 還是不斷增長(zhǎng)，直到 時(shí)， ??5t:8Q:Lfi 6t?5Q、 關(guān)斷為止， 再次增長(zhǎng)到最大值。8QLfi， 、 硬關(guān)斷，結(jié)束了 半個(gè)周期 6 個(gè)開關(guān)模態(tài)。 為后半個(gè)6t?5806t 612t:周期， 為一個(gè)完整周期。 均是硬開關(guān)， 是 ZVS 開通和 ZCS 關(guān)斷。012:58:CQ在放電模式時(shí)， 向 傳輸?shù)墓β孰S著對(duì)管（ 和 、或 和 ）同時(shí)導(dǎo)通2V1 5867時(shí)間的增加而減少，隨四個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間的增加而增加。 開關(guān)管電壓尖峰問題本文所研究的電壓電流型雙向全橋直流變換器實(shí)際上就是一個(gè)雙向 BuckBoost變換器，根據(jù)功率流動(dòng)方向，分別命名為 Buck/充電方向和 Boost/放電方向。為突出電流型拓?fù)涞碾妷杭夥鍐栴}，使分析具有普遍性，這里忽略變壓器的勵(lì)磁電流，并把漏感折算到同一側(cè)，得到圖 (a)所示的簡(jiǎn)化電路。功率傳輸方向不同時(shí)，開關(guān)管上產(chǎn)生電壓尖峰的機(jī)理不同 [6][39]。充電方向時(shí)，如圖 (b)， 關(guān)斷后， 和 的結(jié)電容振蕩產(chǎn)生電壓尖峰，當(dāng)結(jié)電容BuckQrLBuckQ的電壓等于電源電壓 時(shí)，振蕩結(jié)束。這個(gè)振蕩為無源阻尼振蕩，振蕩能量是BuckC1V有限的，產(chǎn)生的電壓尖峰易于吸收。因此充電方向上的電壓尖峰問題不是主要問題，下面主要分析放電模式時(shí)開關(guān)管的電壓尖峰產(chǎn)生機(jī)理和解決方案。27 放電模式時(shí)電壓尖鋒產(chǎn)生機(jī)理放電方向時(shí)，如圖 (c)， 關(guān)斷后，由于 中的電流不能突變，在 中BostQrLrL的電流達(dá)到 之前，電流 給 的結(jié)電容 充電，形成巨大的電壓尖LfILfDuckI?stBostC峰。由于輸入電感 足夠大，輸入電流在一個(gè)周期內(nèi)基本不變，由此可見，放電方fL向的電壓尖峰是基于恒流源 對(duì)電容 充電產(chǎn)生的，其能量是巨大的，有源的。LfIBostC因此這個(gè)電壓尖峰難以抑制，必須設(shè)法解決。圖 電流電壓型雙向直流變換器開關(guān)管電壓尖峰產(chǎn)生機(jī)理 電壓尖鋒抑制方案為了提高開關(guān)管的可靠性，必須要解決開關(guān)管電壓尖峰較大的問題， 一、RCD 無源有損鉗位電路 [10][39]放電模式 RDC 鉗位電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示，圖中二極管 、電容 、電阻CDCfbostQbostDbuckDbuckQBuckBostfCbostDbuckQBuck buckCrLbostQ buckDBost bostCLfi??bBuck充 電 /方 向??c/Bost放 電 方 向??a雙 向 變 換 器 簡(jiǎn) 化 電 路fCfCrLrLLfi28組成了耗能型無源鉗位電路，以下對(duì)其原理進(jìn)行分析。設(shè)鉗位電容 足夠大可以CR C保證在一個(gè)周期內(nèi)的電壓值基本不變，其穩(wěn)態(tài)值記為 。CcV、 關(guān)斷時(shí)，電流( )給 、 的結(jié)電容充電，形成很大的電壓尖峰6Q7 2LfrIi?6Q7。當(dāng) 時(shí)，鉗位二極管 導(dǎo)通，將 的值鉗位在 上。 、 導(dǎo)通peakVpeakCcV?CDpeakCc6Q7時(shí)， 承受反壓截止，鉗位電容 通過電阻 緩慢放電， 因此下降。CDCR上述 RCD 鉗位電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，而其缺點(diǎn)是部分能量消耗在鉗位電路中，對(duì)整機(jī)效率有所影響。圖 放電模式 RDC 鉗位電路二、有源無損鉗位電路 [2][10][14][39]與 RCD 有損無源鉗位電路相比，有源鉗位電路可以實(shí)現(xiàn)無損鉗位，但需要增加一個(gè)輔助的鉗位開關(guān)管和鉗位電容，并且需要對(duì)鉗位開關(guān)管進(jìn)行合理的控制。圖(a)中已經(jīng)加了有源無損鉗位電路（ 、 、 ）的，從圖 (b)的工作波形CQDC和電路的工作原理可知，該方案可以很好的抑制電壓尖峰，并且可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS 關(guān)斷。本文研究對(duì)象采用有源無損鉗位電路。 雙向全橋 DC/DC 變換器的啟動(dòng)控制 充電模式啟動(dòng)方式現(xiàn)有的 Buck 型變換器的 PWM 控制芯片，都有軟啟動(dòng)引腳，在輸出端沒有電壓/電流時(shí)，軟啟動(dòng)電路使開關(guān)管的占空比從零逐漸增加到要求的值，這樣，既限制了啟動(dòng)電流，也防止了輸出電壓的超調(diào)（輸出電壓超過額定值） [2]。這種軟啟動(dòng)方法在RcD5 T 1:nLf Lr2C5 CfD7C7D6C6D8C8D1D3D2D4N1N2 R1Q5Q6 Q7Q8+CbDcCc ABDV2 V129雙向全橋變換器工作在 Buck/充電模式時(shí)，也是必須的。當(dāng)能量從高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞時(shí)，移相控制電路的初始移相角 為 180o，然后逐漸減少，直到輸出電流達(dá)到額?定值。 放電模式啟動(dòng)方式雙向全橋變換器工作在放電模式時(shí)，能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞，實(shí)現(xiàn)升壓功能。開始工作時(shí)， 上的電壓為零，在 電壓達(dá)到與低壓側(cè)匹配的電壓之前，電fCfC感 不能實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位，其電流 不斷增大，因此放電模式下其啟動(dòng)電流是很大的。fLLfi為減小啟動(dòng)電流，也必須采用軟啟動(dòng)方式 [2]。從表面上看起來，似乎只要使四個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間從零逐漸增大就能使高壓側(cè) 上的電壓 逐漸升58Q: fC1V高到，但實(shí)際上這是有問題的。因?yàn)樵?上沒有電壓或則電壓小于 時(shí)，高f 2/N壓側(cè)的電壓 折算到低壓 側(cè)的電壓就很低，不能使電感 電流 減少。于是，在1V2 fLLfi電壓從零升高到 的時(shí)間內(nèi)， 不斷增長(zhǎng)，也就是說通過 的電流也11/NLfi 58Q:不斷增長(zhǎng)，其最大值將遠(yuǎn)大于額定工作時(shí)的電流，從而對(duì)開關(guān)管的要求提高，需要選用大定額電流的開關(guān)管和大啟動(dòng)電流時(shí)不會(huì)飽和的電感 ，這樣既不合理，成本f也顯著增加。為此必須選用合理的啟動(dòng)電路和啟動(dòng)方式。Boost 模式中，文獻(xiàn)[2][11][29~30][39]中提出了以下解決方案：帶反激變壓器、斜坡輸入電壓、輸入端串電阻等啟動(dòng)方式。一、帶反激變壓器的啟動(dòng)方式帶反激變壓器軟啟動(dòng)方式的主電路如圖 (a)所示，與圖 (a)的不同之處是在電感 的鐵心上加繞了線圈 ，加了二極管 ，由此構(gòu)成一個(gè)反激變壓器，它fLsWfD僅在啟動(dòng)時(shí)工作。圖 (b)是啟動(dòng)工作時(shí)開關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律。在 期間0ont:同時(shí)導(dǎo)通， 期間 都關(guān)斷， 導(dǎo)通，中間有死區(qū)時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)，58Q:/2ontT:58Q:c是逐漸增加的。圖 (d)是啟動(dòng)工作時(shí)的等效電路， 導(dǎo)通，電壓 直接加ont 58Q2V在電感 上， 的非同名端為正，二極管 反偏截止，電流 線性增長(zhǎng)， 時(shí)fLf fDLfiont?達(dá)到最大值。 期間 關(guān)斷， 流向鉗位電容 ，給 充電，同時(shí)fi /2ont:58:LficCc導(dǎo)通，一部分電感儲(chǔ)能經(jīng) 傳到 ，使電壓 增加。由此可見，軟啟動(dòng)過程中DffC1V電容 電壓 和 均是增加的， 從 開始增加， 從零開始增加，由于鉗位電cCcV1cV230路的存在，限制了電感電流 的不斷增長(zhǎng)。設(shè)半個(gè)周期 內(nèi)， 導(dǎo)通占空比Lfi /2T58Q:為 ，則：aD (213)21aCcDV?? (214)121pasWV?式中， 、 為反激變壓器原邊、副邊線圈的匝數(shù)。pWs32圖 帶反激變壓器啟動(dòng)電路的充電模式主電路LfWsp LfWspV2 V2CcDfCfV1D5 T 1:nLf Lr2C CfD7CD6CD8CD1D3D2D4N1N2 RLQ5Q6 Q7Q8 V1+CbDcCcQc ABV2Wsp Df58Q:58Q 67 cQc??a變 換 器 充 電 工 作 主 電 路??b啟 動(dòng) 工 作 時(shí) 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào)??cBost/放 電 工 作 時(shí) 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào)??d啟 動(dòng) 工 作 時(shí) 等 效 電 路??on0t: ??ontT/2:ont /2T/2T33反激啟動(dòng)電路僅在啟動(dòng)時(shí)工作，啟動(dòng)結(jié)束后僅 Boost 全橋變換器工作在放電模式。則啟動(dòng)結(jié)束后，輸出電壓 和輸入電池電壓 間的關(guān)系(推導(dǎo)過程見第三章)為：1V2V12nD?式中， 為變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)匝比， 。 為半個(gè)周期內(nèi)對(duì)管導(dǎo)通的占n 1:N空比，參考圖 (b)和(c)， 與 之間有以下關(guān)系： 。則：a 1aD?? (215a)12minaV??顯然，當(dāng) 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間為零，即 ，全橋輸出電壓最低，即58Q:0aD (215b)12inN所以，啟動(dòng)電路應(yīng)當(dāng)在輸出電壓 達(dá)到 時(shí)停止工作，進(jìn)入 Boost 全橋變換器放1Vmi電模式。假設(shè): (216)12SPWN?比較式(214)和(215b)，得 。因此，反激變壓器在啟動(dòng)工作時(shí)，器占空比從 0 增加到 ， 從 0 電壓達(dá)到 ，此時(shí)，變換器進(jìn)入 Boost 全橋變換1V1minV器放電模式，不會(huì)導(dǎo)致電感電流 過大，且轉(zhuǎn)換過程中， 不會(huì)突變。Lfi 1帶反激變壓器的雙向全橋直流變換器，在啟動(dòng)時(shí)利用反激變壓器將電池的一部分能量傳遞到高壓負(fù)載側(cè)，逐漸建立起負(fù)載電壓，實(shí)現(xiàn)雙向全橋直流變換器放電模式的軟啟動(dòng)方式，可以很好的解決該變換器啟動(dòng)過程中出現(xiàn)的問題。二、斜坡輸入電壓的啟動(dòng)方式利用 BUCK 變換器工作原理，在變換器電池側(cè)輸入端增加一級(jí) BUCK 電路，如圖(a)所示，通過改變輸入級(jí) BUCK 電路中開關(guān)管 的占空比 從 0 逐漸增大到sQD1，BUCK 電路的輸出端電容 上的電壓將按線性方式逐漸由 0 增加到電池電壓 ，sC 2V由此可以實(shí)現(xiàn)后一級(jí) Boost 電路得到斜坡輸入電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變換器放電模式時(shí)軟啟動(dòng)。若新增 BUCK 電路中的儲(chǔ)能電感 用 代替，穩(wěn)壓電容 可以用輸出端的穩(wěn)壓sLf sC34電容 代替，則可以得到圖 (b)所示的改進(jìn)型斜坡輸入軟啟動(dòng)電路。fC與圖 (a)所示雙向全橋變換器放電模式主電路相比，圖 (b)所示的改進(jìn)型斜坡輸入軟啟動(dòng)電路僅增加了一個(gè)有源開關(guān)管和一個(gè)二極管，就可實(shí)現(xiàn)平滑、無損耗的軟啟動(dòng)過程，因此軟啟動(dòng)方式具有很好的可行性。圖 斜坡輸入軟啟動(dòng)電路三、加限流電阻的啟動(dòng)方式加限流啟動(dòng)電阻的雙向全橋變換器放電模式拓?fù)潆娐啡鐖D 所示。在電池和儲(chǔ)能電感之間串接一個(gè)小阻值大功率的電阻，并在電阻上并聯(lián)開關(guān)，此開關(guān)可以是手動(dòng)開關(guān)，繼電器，也可以是 SCR 電子開關(guān)。在輸出電壓上升到額定值后啟動(dòng)完成，開關(guān)閉合將電阻短路，從而降低正常工作時(shí)的功耗。此方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用于功率較少的情況下。缺點(diǎn)是此方式屬于能耗型啟動(dòng)方式，當(dāng)功率較大時(shí)，需多個(gè)功率電阻并聯(lián)，體積較大。為研究方D5 T 1:nLf C CfD7CD6CD8CD1D3D2D4N1N2 R1Q5Q6 Q7Q8 +CbDsCs ABCDV2LsQsD5 T 1:nLf Lr2C CfD7CD6CD8CD1D3D2