上饶变压器厂

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：本设计主要适用于蓄电池与逆变器母线之间的变换器，接受逆变器的调度，实现蓄电池的充、放电功能。主要分析了输入(或)300V，(或输入)48V的有源箝位双向DC-DC变换器的电路设计原理，阐述了能量正向传递时的工作过程，并对主电路参数进行设计计算。通过搭建模型进行仿真，得出工作过程波形。通过实验验证了理论与仿真的正确性，以及实现了该变换器的主管的零电压开通(Zero Voltage Switch，ZVS)。

引言

　　独立风能、太阳能发电系统受天气影响很大，功率不稳定，所以，迫切需要配置储能系统来保证系统供电的可靠性和连续性。双向DC-DC变换器可实现发电系统能量与蓄电池能量的双向传递。双向DC-DC变换器朝着性、高可靠性、高效率、小型轻量化和高性能的方向发展。传统的双向DC-DC变换器工作在硬状态，损耗大、可靠性低，解决问题的******方式是采用软技术。有源箝位双向DC-DC变换器可以实现上饶变压器漏感能量的吸收、管的关断电压抑制，以及实现管的ZVS等功能^[1,2]。此外，在双向变换器中采用有源箝位技术，未增加电路控制的复杂程度，是双向电路实现电压箝位和软的首选技术。

　　本文主要对双向变换器的有源箝位变换器的工作原理和软技术进行了分析。

1 电路拓扑与工作模态分析

　　1.1 电路拓扑

　　有源箝位双向变换器的电路拓扑如图1所示。该拓扑结构是以基本双向变换器上饶变压器为基础，在上饶变压器两侧添加有源箝位电路形成的。

　　其中，U_in、U_out为输入电压;激磁电感L_m和理想上饶变压器Tx组成上饶变压器; L_r1、L_r2为上饶变压器一次侧漏感和二次侧漏感;C_r1、C_r2分别为主管S₁、S₂的结电容;C_c1、C_c2分别为箝位电容，与箝位管S₃、S₄串联组成箝位电路。

　　在发电系统能量与蓄电池能量的双向传递过程中，大部分时间工作在能量的正向传递过程，所以，以向蓄电池充电的方向为正^[3,4]。

　　1.2 工作模态分析

　　进入稳态工作后，以管S₁和S₄的开通为起点。一个周期由十个模态组成，运用十个区间来分析变换器的工作过程，每个区间的参数波形变化如图2所示。

　　在模态分析之前，需进行假设：分析开始时，变换器进入了稳定工作状态，激励电感L_m上的电流恒为正;箝位电容C_c1和C_c2非常大，过程中其两端电压近似不变;电感L_r上储存能量足够大，能够实现管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谐振周期要满足关系式：。

　　t₀~t₁：在t₀时刻，管S₁为持续开通状态，管S₄零电压开通。管S₂、S₃处于关断状态。上饶变压器的激磁电感L_m储存能量，激磁电感L_m的电流线性增加。副边电流给箝位电容C_c2充电，因为C_c2很大，所以两端的电压近似不变，电感L_r2上的电流线性减小。管S₂的电压被箝位在U₂+UC_c2。

(1)

　　t₁~t₂：在t₁时刻，管S₁和S₄关断，原边电流给S₁的电容C_r1充电，上饶变压器开始放电，副边电流反向给S2的电容C_r2放电，这个模态时间很短，所以可以近似认为C_r1的电压线性增加，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，原边辅助箝位管S₃的体二极管导通，原边电流开始给箝位电容C_c1和电容C_r1充电，由于C_c1比C_r1大很多，忽略对C_r1的充电。当S₃的体二极管导通时，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，此期间管S₃开通，可实现S₃的零电压开通。这期间C_c1两端的电压上升，C_r2的电压减小。

　　t₃~t₄：在t₃时刻，当U_c1被充电至U_in+U_c1时，副边管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，此期间开通S₂，可以实现S₂的零电压开通。

　　t₄~t₅：在t₄时刻，管S₂和S₃零电压开通，则副边电流从箝位管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发生谐振，电感L_r1电流线性减小，箝位电容C_c1的电压增大，因为C_c1电容很大，所以谐振过程中电压近似不变。S₁两端电压被箝位在U₁+UC_c1。

(2)

　　t₅~t₆：t₅时刻，管S₂和S₃断开，电感L_r1被电容C_r1充电，副边电流方向不变，管S₂的体二极管续流。

　　t₆~t₇：t₆时刻，原边电容C_r1的电压降为0，之后S₁的体二极管导通，原边管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时刻起，原边管S₁零电压开通，上饶变压器原、副边继续换流。当电感L_r1电流和激磁电流相等时，换流结束，S₂的体二极管出现反向恢复电流。

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

　　t₉~t₀：t₀时刻，电容C_r2两端电压被充电至U_c2，辅助管S₄的体二极管导通，继续给电感L_r2续流，在i_r2电流变为0之前开通，都可实现管S₄的的零电压开通。之后开始重复t₀时刻周期工作。

2 主要电路参数设计

　　2.1 零电压开通条件

　　要实现管S₁的零电压开通，必须使其在t₆~t₇之间开通。在t₇时刻，电感L_r1的电流变向，重新给C_r1进行充电，S₁的DS电压不再为0。因此，管S₃关断和S₁开通之间的最佳延迟时间为谐振电感L_r1和谐振电容C_r1谐振周期的四分之一，因此需要满足关系式：

(3)

　　此外，在管S₃关断时刻(t₅时刻)电感L_r1的存储能量必须足够大，能够存储C_r1上电荷的完全释放能量，因此，在该时刻满足以下能量关系：，其中，。当电感L_r1在S₃关断时刻没有存储足够的能量，只能一定程度上降低S₁的开通损耗。

　　2.2 参数设计

　　2.2.1 主要技术设计指标

　　本有源箝位变换器的设计目标，如表1所示。

　　2.2.2 上饶变压器的参数设计

　　上饶变压器在有源箝位变换器中充当传输能量的元件，其设计思路和一般变换器设计思路一致。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设计上饶变压器的各项参数。

　　(1)磁芯材料

　　参照设计规格中的额定功率和频率，本次设计选用PC40磁材，该材料的主要参数如表2所示。