ZCS全橋相移DC/DC變換器的工作原理、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

引言

移相全橋零電流開關(guān)DC/DC變換器是一種適用于大功率開關(guān)電源的軟開關(guān)電路。它具有主電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)高頻化；變壓器的漏感可以納入諧振電路實(shí)現(xiàn)功率器件軟開關(guān)；主電路采用IGBT時，電壓應(yīng)力也很小。因為電路中IGBT的關(guān)斷是在零電流條件下，可以有效地抑止IGBT由于拖尾電流帶來的關(guān)斷損耗。主電路變壓器匝比小則有更容易避免飽和的優(yōu)點(diǎn)。

1、燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)

本論文研究的是一個輸入電壓為100 V，輸出±380 V的DC/DC變換器，應(yīng)用于燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，完成燃料電池輸出和并網(wǎng)逆變器輸入之間升壓功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其所采用的DC/DC升壓裝置原理如圖2所示。

本文所分析的電路，通過輸入電感儲能向輸出端供電，類似與Boost電路，由于在啟動過程中，輸出電壓從0開始逐漸增大，在啟動的一段時間范圍內(nèi)，輸入電感始終處于充電狀態(tài)，電感電流持續(xù)增大，最終導(dǎo)致輸入電流過流。另外，在輸出端也會有類似Boost電路的電壓超調(diào)現(xiàn)象，使得輸出電壓過壓。因此如何解決電流型DC/DC變換器啟動過程中出現(xiàn)的輸入過流、輸出過壓問題，成為此種電流型DC/DC變換器能否應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前端DC/DC變換器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、 電路控制原理

圖3所示為主電路IGBT驅(qū)動的時序，電路工作原理類似于Boost電路。具體分析見參考文獻(xiàn)。

為了達(dá)到快速調(diào)整輸出電壓、輸入電流的目的，在該DC/DC變換器中采用輸出電壓外環(huán)和輸入電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。參考電壓Vref作為電壓外環(huán)的給定，電壓外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定。由于電流內(nèi)環(huán)的作用，使閉環(huán)響應(yīng)速度加快，并有效限制輸出電流紋波，控制框圖如圖4所示。同時，由于電壓外環(huán)的作用使輸出電壓有效榨制在后級逆變器所要求的電壓值的范圍內(nèi)。

3、 電流型DC/DC變換器啟動電路的設(shè)計

本文所采用的啟動電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，在輸入電感上附加一個耦合線圈。

在電路啟動過程中，給原邊的四個IGBT加上完全相同的控制信號，即采用同時開通或同時關(guān)斷的方式，此時，電路主變壓器被短路，整個電路等效為一個flyback拓?fù)洹闇p小橋臂上開關(guān)管電壓應(yīng)力，在電感原邊安裝RCD吸收電路。為限制啟動電流增大過快，啟動時占空比從O逐漸增大。具體的控制邏輯如圖6所示，采用三角波和逐漸增大的一個電平信號比較得到占空比逐漸增大的PWM波形。

在啟動工作模式下，電路共分兩種工作模式。

3.1 模式l（充電模式）

S1～s4同時開通時工作，其過程如圖7所示。

輸入電壓U4給電感充電，負(fù)載通過輸出端大電容續(xù)流，整流二極管Df上沒有電流流過。假設(shè)n為輸入電感上耦合線圈和原邊線圈的比值，則此時整流二極管Df上反向電壓應(yīng)力為

3.2 模式2（供電模式）

s1～s4同時關(guān)斷，其工作過程如圖8所示。

輸入電感上的能量通過耦合在上面的副邊線圈和整流二極管Df向負(fù)載端釋放，并給輸出的大電容充電。此時原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力為

由于啟動過程可完全等效成一個反激電路，啟動過程的最大輸出電壓理論上等于占空比最大時輸出的電壓，即

當(dāng)啟動電路的占空比達(dá)到最大值時，切換到正常工作模式，由于輸出電容已經(jīng)被充電到一個預(yù)定值，因此，切換過程中輸入電感不過流。

4、 實(shí)驗波形

電路實(shí)驗條件如下：輸入電壓：DC 90V，兩路輸出電壓：380V，兩路負(fù)載各180Ω，啟動模式下兩路輸出各帶死負(fù)載500Ω。

圖9中橋臂1的波形和理論分析的波形一致。

由圖10可得，輸入電流為20A。

輸出電壓為380V，而單路輸出電壓的紋波為2V，相當(dāng)于單路輸出電壓380V的0.5％。

圖11為由啟動模式切換到正常工作相移模式時的單路輸出電壓波形。由圖11可見，輸出電壓在切換時的超調(diào)量約為30V，基本解決了電流型全橋相移DC/DC變換器啟動過程中電壓超調(diào)的問題。

圖12所示為啟動時4個開關(guān)管之一上的電壓波形，此時電壓波形為處于切換前的電壓波形，等效的flyback工作占空比已經(jīng)從O升高到約為0.5。

圖13所示為啟動時輸入電流波形。由圖13可見，輸入電流波形和反激電路flyback工作時輸入電流波形是一致的。

切換至相移工作模式時后（兩路輸出各帶500Ω死負(fù)載）輸入電流波形如圖 14所示。

5、 結(jié)語

ZCS全橋相移DC/DC變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：變壓器原邊功率器件IGBT實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，有效減小了開關(guān)損耗，提高了效率。

通過一個在輸入電感上耦合上一個線圈于輸出端相連接可以實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動，抑止了傳統(tǒng)電流型電路啟動時候的過流和過壓問題。

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