隔离型双向升压全桥DC- DC 变换器效率的提高

孙飞 刘通

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨150027）

1 概述

自从Charles F.Kettering 发明了电池供电的电动起动电动机并启发了直流配电以来，电池和光伏电池已经成为实用和必不可少的能源，基于直流电的可再生能源管理系统也越来越受欢迎。为了满足对更安全、更高效的可再生能源管理系统的最新要求，作者的兴趣集中在具有隔离功能的功率调节系统的底层技术上，这有助于提高系统的安全性和最小化系统的体积。广泛的三相公用系统安装迫使能源供应商要求隔离功能，以呼吁他们的先进安全意识[1]。

为了从可再生能源中扩大输入电压范围，以前对电流型全桥DC-DC 变换器的研究已经提出了许多具有吸引力的候选电路。然而，现有的候选电路并没有给出很好的解决方案，以满足最近的安全要求，因为他们没有提供足够的实际安全性，或他们没有很高的效率。

为了满足这一要求，本文开发了一种具有隔离功能的高频DC-DC 变换器，该变换器包括有源缓冲网络，以满足最近10 千瓦光伏发电系统的需求。为了进一步利用所提出的转换器，我们在双向延伸上研究更有效的可充电储能管理系统[2]。本文提出了提高隔离式双向Boost 全桥DC-DC 变换器能量转换效率的思路，以实现储能器与直流母线之间的有效能量转换。

该方案除了简单的单双向功率级外，还具有优化的驱动频率、半 理想的绕组比和较低的无源开关损耗等优点，提高了功率转换效率，有源缓冲电路损耗低，输出端同步整流。提出了隔离型双向Boost 全桥DC-DC 变换器的进一步效率改进方案，优化了开关频率，改进了低损耗有源吸收网络。

2 电路原理分析

所提出的带低损耗有源缓冲网络的隔离双向Boost 全桥DC-DC 变换器的电路图如图1 所示。该变换器由基本Boost 全桥变换器组成，该变换器在隔离变压器TR 的两侧具有有源开关全桥半导体块Q1-Q4 和Q5-Q8 实现双向功率转换，附加的有源缓冲器组合块包括由Qr 和在优化驱动频率、重构隔离变压器TR 的绕组比到半理想值、降低缓冲网络中的无源开关损耗等方面，尝试了提高效率的方案。

为了简化电路的分析和工作模式，进行了以下假设：

图1 具有低损耗缓冲网络的隔离双向全桥DC-DC 变换器

图2 提出的DC-DC 变换器稳态时的关键时序图

a.晶体管、二极管、电感器和电容器无寄生元件，理想。

b.由于变换器的开关频率足够高，因此在一个开关周期内，存储电压和直流母线电压是恒定的。

图2 显示了所提出的DC-DC 转换器在稳态放电模式下的关键时序图。在状态[t0，t1]和[t2，t3]中，从Q1 到Q4 的整个全桥开关器件被导通，并且初级电感器L 被退出。因此，在以下状态[t1，t2]或[t3，t0]中，变压器TR 通过交替功率半导体开关Q1 和Q4 或Q2 和Q3 来传递能量[3]。

另一个全桥开关Q5-Q8 作为同步整流器工作，以帮助减少相应的反并联二极管的传导损耗。在同步整流不太有效的情况下，例如在轻负载条件下，它们可以保持在放电模式下完全关闭。

开关周期T 和接通状态占空比Ton 在该时序图中定义。电流iMg表示变压器TR 的磁化电流，但由于其小于实际设计过程中所示的电流，因此常被忽略。说明了升压全桥变换器的基本操作，而我们有理想的规则功率在输出负载[4]。

该电路的放电模式操作与基本单向方案相同。

模式0[t0，t1]：所有的桥开关Q1、Q2、Q3 和Q4 都会像流行的升压斩波器一样，接通电感器L，而Q1 和Q4 在这段时间内都是接通的。

模式1[t1，t2]：Q2 和Q3 在t1 和Q1 和Q4 保持时关闭，此时从电感器L 到变压器TR 的电流是连续的。电路通过整流器开关Q5 和Q8 向直流母线提供能量传输。电感器L 的电流减小。这种操作看起来像是输出状态下的基本Boost 变换器[5]。能量转移一直持续到时间t2，这个时间间隔的终点在连续电流模式下。

模式2[t2，t3]：t2 时Q2、Q3 接通，整个桥开关重新接通。此模式的状态与模式0 类似。

模式3[t3，t0]：Q1 和Q4 在t3 关闭，Q2 和Q3 打开，从电感器L 到变压器TR 的电流是连续的。电路通过整流器开关Q6 和Q7 向直流母线提供能量传输[6]。模式3 与模式1 互补，横截面桥径相反。

观察变换器在不连续电流模式下的工作情况，在时间t2（模式1 结束）之前，初级电感器电流iL下降到磁化电流iMg的水平。当电桥偏压Vm在其它基波变换器的不连续电流模式下振荡时，变换器直到t2才向直流母线提供能量传输。

与电压型DC-DC 变换器不同的是，该变换器是电流型的，具有连续的偏置输入电流到全桥开关，并且在轻载或启动过程中存在能量非自愿转移的固有问题[7]。为了解决这一问题，本发明的Boost 全桥变换器具有辅助有源缓冲电路，该电路包括带有有源开关Qr的有源复位路径和一个二极管Drin串联（该二极管使电感L 有源并联短路）和有源电压箝位电路（带有开关Qs），如图2 所示。

由于隔离变压器直流母线侧的有源桥式开关Q5-Q8，该变换器提供充电模式操作的双向能量转换[8]。该转换器作为PWM全桥变换器工作，在充电模式下使用电感L 作为低通滤波器。辅助有源缓冲电路开关Qr和Qs在充电模式下始终保持在断开状态，以使用电感器L，该电感器可减轻不希望的高频脉冲电流流向存储器[9]。全桥开关Q1-Q4 作为同步整流器运行，有助于降低相应的反并联二极管的传导损耗。在同步整流不太有效的情况下，例如在轻负载条件下，它们可以在充电模式下保持完全关闭。

3 实验测试

为了验证所提出方案的可行性和准确性，研制了一台10kw变流器样机并进行了试验。表1 列出了原型规格。结果用DLM2054 示波器和WT1600 型横河仪器功率分析仪获得了波形和效率特性。

表1 原型规格

表2 列出了转换器部件的说明。当工作储能电压在280-320v 之间时，变压器的绕组比为0.9，这与Boost 全桥方案下的理想值非常接近。直流母线电压被调节到额定330 伏，数字控制嵌入在标准瑞萨电子微控制器上。

表2 原型组件描述

图3 优化振荡频率和改进缓冲二极管的变换器效率特性

图3 显示了原型转换器的测量效率特性。该图表明，缓冲二极管的开关频率和恢复性能与所提出的变换器的能量转换效率密切相关[10]。从标准快恢复二极管到超快恢复二极管或超快SiC 肖特基二极管，开关频率的优化和缓冲二极管的性能改进有助于提高隔离双向全桥DC-DC 变换器的能量转换效率。

4 结论

提出了一种具有低损耗有源缓冲的隔离型双向Boost 全桥变换器的效率提高方案。该方案具有优化的驱动频率、半理想的绕线比和较低的无源开关损耗。实验结果表明，隔离型双向全桥DC-DC 变换器的能量转换效率与缓冲二极管的开关频率和恢复性能密切相关。优化开关频率，将缓冲二极管从普通型升级为快恢复二极管或超快SiC 肖特基二极管，有助于提高能量转换效率。实验结果还表明，原型10kw变换器的效率得到了较大的提高，满足了现代可再生能源管理系统应用的要求。