大功率储能型有源箝位反激变换器的研讨

作者 王云涛1 杨文荣1 鲁兵1 喻志森1 刘江华2 1.河北工业大学电气工程学院(天津 300130)2.天津天传新能源电气有限公司(天津 300180)

摘要：本规划首要适用于蓄电池与逆变器直流母线之间的变换器，承受逆变器的调度，完成蓄电池的充、放电功用。首要剖析了输入(或输出)300V，输出(或输入)48V的有源箝位双向反激DC-DC变换器的电路规划原理，论述了能量正向传递时的作业进程，并对主电路参数进行规划核算。经过建立模型进行仿真，得出作业进程波形。经过试验验证了理论与仿真的正确性，以及完成了该反激变换器的主开关管的零电压注册(Zero Voltage Switch，ZVS)。

导言

　　独立风能、太阳能发电体系受气候影响很大，输出功率不安稳，所以，迫切需求装备储能体系来确保体系供电的可靠性和连续性。双向DC-DC变换器可完成发电体系能量与蓄电池能量的双向传递。双向DC-DC变换器朝着高频性、高可靠性、高效率、小型轻量化和高性能的方向开展。传统的双向DC-DC变换器作业在硬开关状况，开关损耗大、可靠性低，解决问题的最佳方法是选用软开关技能。有源箝位双向DC-DC反激变换器可以完成变压器漏感能量的吸收、开关管的关断电压按捺，以及完成开关管的ZVS等功用^[1,2]。此外，在双向反激变换器中选用有源箝位技能，未添加电路操控的杂乱程度，是双向反激电路完成电压箝位和软开关的首选技能。

　　本文首要对双向反激变换器的有源箝位变换器的作业原理和软开关技能进行了剖析。

1 电路拓扑与作业模态剖析

　　1.1 电路拓扑

　　有源箝位双向反激直流变换器的电路拓扑如图1所示。该拓扑结构是以根本双向反激变换器阻隔变压器为根底，在阻隔变压器两边添加有源箝位电路构成的。

　　其间，U_in、U_out为输入输出电压;激磁电感L_m和抱负变压器Tx组成反激变压器; L_r1、L_r2为变压器一次侧漏感和二次侧漏感;C_r1、C_r2分别为主开关管S₁、S₂的结电容;C_c1、C_c2分别为箝位电容，与箝位开关管S₃、S₄串联组成箝位电路。

　　在发电体系能量与蓄电池能量的双向传递进程中，大部分时间作业在能量的正向传递进程，所以，以向蓄电池充电的方向为正^[3,4]。

　　1.2 作业模态剖析

　　进入稳态作业后，以开关管S₁和S₄的注册为起点。一个周期由十个模态组成，运用十个区间来剖析变换器的作业进程，每个区间的参数波形改变如图2所示。

　　在模态剖析之前，需进行假定：剖析开端时，变换器进入了安稳作业状况，鼓励电感L_m上的电流恒为正;箝位电容C_c1和C_c2非常大，开关进程中其两头电压近似不变;电感L_r上贮存能量满足大，可以完成开关管S₁的零电压导通;电感L_r1、L_r2之值远小于激磁电感值L_m(L_r约为5%~10%的Lm);箝位电容C_c1与电感L₁谐振周期要满意联系式：。

　　t₀~t₁：在t₀时间，开关管S₁为持续注册状况，开关管S₄零电压注册。开关管S₂、S₃处于关断状况。变压器的激磁电感L_m贮存能量，激磁电感L_m的电流线性添加。副边电流给箝位电容C_c2充电，由于C_c2很大，所以两头的电压近似不变，电感L_r2上的电流线性减小。开关管S₂的电压被箝位在U₂+UC_c2。

(1)

　　t₁~t₂：在t₁时间，开关管S₁和S₄关断，原边电流给S₁的输出电容C_r1充电，变压器开端放电，副边电流反向给S2的输出电容C_r2放电，这个模态时间很短，所以可以近似以为C_r1的电压线性添加，C_r2上的电压线性减小。

　　t₂~t₃：当C_r1电压充电至U_in+U_c1时，原边辅佐箝位开关管S₃的体二极管导通，原边电流开端给箝位电容C_c1和输出电容C_r1充电，由于C_c1比C_r1大许多，疏忽对C_r1的充电。当S₃的体二极管导通时，开关管S₃的漏源电压UDS被箝位在一个负的体二极管导通电压上，此期间开关管S₃注册，可完成S₃的零电压注册。这期间C_c1两头的电压上升，C_r2的电压减小。

　　t₃~t₄：在t₃时间，当U_c1被充电至U_in+U_c1时，副边开关管S₂的体二极管导通，则S₂的UDS被箝位在体二极管的导通电压上，此期间注册S₂，可以完成S₂的零电压注册。

　　t₄~t₅：在t₄时间，开关管S₂和S₃零电压注册，则副边电流从箝位开关管S2的体二极管转移至导电沟道上，S₂同步整流。激磁电感电流Lm线性减小，箝位电容C_c1和电感L_r1产生谐振，电感L_r1电流线性减小，箝位电容C_c1的电压增大，由于C_c1电容很大，所以谐振进程中电压近似不变。S₁两头电压被箝位在U₁+UC_c1。

(2)

　　t₅~t₆：t₅时间，开关管S₂和S₃断开，电感L_r1被输出电容C_r1充电，副边电流方向不变，开关管S₂的体二极管续流。

　　t₆~t₇：t₆时间，原边输出电容C_r1的电压降为0，之后S₁的体二极管导通，原边开关管S₁的漏源电压UDS被箝位在一个负的体二极管导通的压降值上，原边上的电感L_r1上的反向电流线性减小，副边电感L_r2电流线性减小。

　　t₇~t₈：t₇时间起，原边开关管S₁零电压注册，变压器原、副边持续换流。当电感L_r1电流和激磁电流持平时，换流完毕，S₂的体二极管呈现反向恢复电流。

　　t₈~t₉：这个模态期间，S₂的体二极管反向截止，副边电流给输出电容C_r2充电。

　　t₉~t₀：t₀时间，输出电容C_r2两头电压被充电至U_c2，辅佐开关管S₄的体二极管导通，持续给电感L_r2续流，在i_r2电流变为0之前注册，都可完成开关管S₄的的零电压注册。之后开端重复t₀时间开关周期作业。

2 首要电路参数规划

　　2.1 零电压注册条件

　　要完成开关管S₁的零电压注册，有必要使其在t₆~t₇之间注册。在t₇时间，电感L_r1的电流变向，从头给C_r1进行充电，S₁的DS电压不再为0。因而，开关管S₃关断和S₁注册之间的最佳延迟时间为谐振电感L_r1和谐振%&&&&&%C_r1谐振周期的四分之一，因而需求满意联系式：

(3)

　　此外，在开关管S₃关断时间(t₅时间)电感L_r1的存储能量有必要满足大，可以存储C_r1上电荷的彻底开释能量，因而，在该时间满意以下能量联系：，其间，。当电感L_r1在S₃关断时间没有存储满足的能量，只能必定程度上下降S₁的注册损耗。

　　2.2 参数规划

　　2.2.1 首要技能规划方针

　　本有源箝位反激变换器的规划方针，如表1所示。

　　2.2.2 变压器的参数规划

　　变压器在有源箝位反激变换器中充任传输能量的元件，其规划思路和一般反激变换器规划思路共同。输入电压越低，占空比越大，峰值电感电流越大，所要求的励磁电感也越大，所以应在最小输入电压的条件下规划变压器的各项参数。

　　(1)磁芯资料

　　参照规划标准中的额定功率和开关频率，本次规划选用PC40磁材，该资料的首要参数如表2所示。