副边双谐振软开关全桥直流变压器研究

肖皓中，许建平，陈章勇，刘姝晗

（西南交通大学 电气工程学院 磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，四川 成都 610031）

0 引言

目前，全桥DC-DC变换器广泛应用于中大功率场合[1-7]。但是，传统全桥DC-DC变换器在轻载时滞后臂难以实现零电压开关（ZVS）[1-2]，同时整流二极管存在反向恢复问题[3-5]，且变压器漏感与整流二极管结电容之间产生谐振，导致整流二极管两端电压存在尖峰与振荡[6-7]，二极管的电压应力较高，从而限制了变换器性能的进一步提高。

文献[8-10]提出副边谐振思想，通过副边谐振支路实现了整流二极管的零电流关断（ZCS），消除了传统变换器整流二极管的反向恢复问题，提高了变换器的效率。但该类变换器仍表现为PWM的工作特性，电压传输比受占空比控制。本文在全桥DC-DC变换器中引入副边谐振思想，提出副边双谐振软开关全桥直流变压器（SDR-FB DCX）。其不仅在全负载范围内实现了开关管的零电压开关和整流二极管的零电流关断，而且整流二极管的电压应力箝位于输出电压，消除了整流二极管的电压尖峰与振荡，减小了整流二极管的电压应力。此外，SDR-FB DCX还表现出直流变压器的增益特性，电压增益比与负载、开关频率和占空比无关。由于直流变压器通常电路结构简单并且易于实现软开关，具有较高的效率，已经广泛应用于分布式电源系统的前端变换器[11]、两级或多级结构的电压调节模块等领域[12-15]。本文对SDR-FB DCX的工作模态与稳态特性进行了详细分析，给出了软开关的实现条件。最后，通过实验样机验证了理论分析的正确性。

1 工作原理

SDR-FB DCX电路拓扑如图1所示。

图1 SDR-FB DCX电路拓扑Fig.1 Topology of SDR-FB DCX circuit

在分析SDR-FB DCX的工作模式之前，首先需要讨论副边谐振周期对其工作模式的影响。SDRFB DCX采用双极性控制方式，如图2所示，根据副边谐振周期的变化，存在2种运行状态：

a.谐振周期小于开关管导通周期状态，即Tr/2＜DTs，其中Tr为谐振周期，在这种情况下，变压器T的副边电流为2个正弦半波，且存在电流为0的自由工作模态；

b.谐振周期大于开关管导通周期状态，即Tr/2＞DTs，2个半波均为正弦波的一部分。

由图2可以看出，状态a情况下开关管的关断电流相对于状态b更小，具有更小的关断损耗，本文主要研究运行于状态a的SDR-FB DCX。

为简化SDR-FB DCX的分析，做以下假设：

a.开关管VT1—VT4是理想的；

b.变压器T的模型由1∶n的理想变压器、励磁电感Lm和副边漏感Llk组成，励磁电感Lm远大于漏感Llk；

图2 副边谐振周期对SDR-FB DCX工作模式的影响Fig.2 Influence of secondary side resonant period on operational modes of SDR-FB DCX

c.谐振电容Cr1和Cr2具有相同的电容值（Cr1=Cr2=Cr）。

SDR-FB DCX在半个开关周期内具有4个工作模态，图3为其原、副边主要工作波形。

图3 SDR-FB DCX主要波形Fig.3 Main waveforms of SDR-FB DCX

下面对变换器的4个工作模态进行分析。

模态 1[t0～t1）：t0时刻，开关管 VT2、VT3关断，原边电流ip对开关管VT2、VT3的寄生电容充电，同时使开关管VT1、VT4的寄生电容放电。由于开关管输出电容一般只有数百皮法，此过程极为短暂。当开关管VT2、VT3的输出电容电压充电到Ud时，变压器T的原边电流ip仍为负。为了提供原边电流ip的流通路径，开关管VT1和VT4的反并联二极管导通，为开关管VT1、VT4的零电压导通创造了条件，开关管VT2、VT3的电压箝位在输入电压Ud。变压器T的原边电压up等于输入电压Ud，励磁电感电流im线性上升。

原边电压折算到副边后使整流二极管VD1导通，副边漏感Llk和电容Cr1、Cr2开始第一次谐振。整流二极管VD2电压被箝位在输出电压Uo，谐振电容电压uCr1谐振上升，uCr2谐振下降。则原边电流ip为励磁电感电流im与副边电流is折算到原边电流i′p之和。

由等效电路可以得到：

由式（3）、（4）联立解得：

其中，副边谐振电流峰值 Isp= [nUd-uCr1（t0）]/Zr；特征阻抗；谐振角频率。

模态 2[t1～t2）：开关管 VT1、VT4的反并联二极管导通，保证了开关管VT1、VT4的软开关实现条件。只要在原边电流ip变正之前，给开关管VT1、VT4驱动脉冲，即可实现开关管VT1、VT4零电压导通。t1时刻，脉冲驱动开关管VT1、VT4导通，变压器T的副边整流二极管VD1保持导通，副边漏感Llk和谐振电容Cr1、Cr2经VD1谐振。此模态下的工作方程同模态1。

模态 3[t2～t3）：t2时刻，原边电流 ip的方向由负变正，副边漏感Llk和谐振电容Cr1、Cr2继续通过整流二极管VD1谐振，SDR-FB DCX的工作方程与模态1相同。

模态 4[t3～t4）：t3时刻，流过整流二极管 VD1的电流iD1谐振到0，整流二极管VD1实现零电流关断，故消除了整流二极管VD1的反向恢复损耗，抑制了电压尖峰与振荡。变压器T的原边电压仍等于Ud，副边电流保持为0，谐振电容Cr1、Cr2上的电压保持不变，输出电容Co为负载提供能量。此时，开关管VT1、VT4继续导通，原边电流ip等于励磁电感电流im，线性上升。

t4时刻，SDR-FB DCX进行后半个周期的工作，其工作模态与模态1—4类似。

2 稳态特性分析

为了提高SDR-FB DCX性能，需保证在开关管的导通时段内尽可能向副边传递功率，所以，应尽量缩短副边电流为0的自由工作状态，即谐振半周期应接近或等于开关管的导通时间[10]。因此，模态4的持续时间较为短暂，可忽略此状态对SDR-FB DCX稳态特性的影响。由SDR-FB DCX工作模态分析可知，在模态1—3的时间段内，励磁电感电压满足：

同理，在后半个周期的工作过程中，励磁电感电压满足：

其中，UCr1、UCr2为电容 Cr1、Cr2的开关周期平均电压。联立式（7）、（8）解得：

输出电压Uo=UCr1+UCr2，得SDR-FB DCX输入/输出电压增益比：

由式（11）可知，SDR-FB DCX表现出直流变压器的增益特性，输入/输出电压传输比只与变压器T的变比n、励磁电感Lm和漏感Llk有关，与开关频率、占空比和负载无关。

3 软开关工作条件分析

3.1 原边开关管软开关的实现条件

在一个开关周期内，由SDR-FB DCX的工作模态分析及其工作波形可知，励磁电感电流纹波满足：

由于SDR-FB DCX仅在副边谐振时才能通过变压器T向负载传送能量。由图3的工作波形可知，在一个开关周期内，输出电流的平均值为：

解得：

将式（1）、（5）、（13）、（15）代入式（2），在[t0～t3]时间段内，变压器T的原边电流ip可表示为：

由工作模态分析可知，实现开关管VT1、VT4软开关的条件是在变压器T的原边电流ip变为正值之前，给开关管VT1、VT4驱动脉冲，即原边电流ip在t1时刻需为负值，即：

解得励磁电感Lm需满足：

由于SDR-FB DCX后半个工作周期的工作状态同前半个工作周期类似，同理可得开关管VT2、VT3要实现软开关需满足式（17）。

由式（17）可以看出，负载越轻，软开关条件越容易满足。因此，设计SDR-FB DCX在满载情况下实现原边开关管的零电压开关，即可在全负载范围内实现原边开关管的零电压开关。

3.2 副边整流二极管软开关的实现条件

由工作模态分析和图3的工作波形可知，实现整流二极管软开关的条件是：在开关管VT1、VT4或VT2、VT3关断之前，谐振电感电流 is满足 is（t3）=is（t7）=0，即满足：

4 实验

为了验证理论分析的正确性，设计并制作了一台1 kW 400 V/48 V的实验样机，开关管VT1—VT4采用SPW20N60C3，整流二极管VD1、VD2采用 DSA90C-200HB，开关频率fs=50 kHz，变压器 T的变比n=0.067。由此可知，最大负载电流Iomax=20.8 A，为了使SDR-FB DCX 始终工作于状态 a，需满足 Tr/2＜DTs，即 D＞fs/（2fr），而对于全桥变换器拓扑而言，占空比总是小于0.5。所以，取谐振频率fr略大于fs，使得占空比D的选择具有一定的裕度，本文取D=0.45。副边漏感 Llk=1.2 μH，输出滤波电容 Co=470 μF，谐振电容Cr=4μF，由此可知，谐振频率=51.4 kHz。为了满足开关管和整流二极管软开关实现条件，励磁电感需满足式（17），代入参数计算后取励磁电感 Lm=1010 μH。

图4为输出轻载（10%负载）时开关管VT1、VT2的漏源电压和电流波形，图5为输出满载时关管VT1、VT2的漏源电压和电流波形。由图4和图5中可以看出，SDR-FB DCX在轻载和满载条件下均能实现原边所有开关管的零电压开关，且轻载条件下更易实现软开关，证实了理论分析的正确性。图6为整流二极管VD1、VD2的电压、电流波形，可以看出，整流二极管VD1、VD2均实现了零电流关断，消除了整流二极管上的电压尖峰与振荡，电压应力为输出电压。图7为SDR-FB DCX的效率曲线，可以看出，SDR-FB DCX的轻载效率相对于重载更高，主要是由于负载增大后开关管与二极管的导通损耗增加。图8为输出电压随负载的变化曲线，可以看出，SDR-FB DCX实现了直流变压器的特性。

图4 10%负载时开关管VT1和VT2的电压、电流波形Fig.4 Voltage and current waveforms of VT1 and VT2at 10%load

图5 满载时开关管VT1和VT2的电压、电流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of VT1 and VT2at full load

图6 整流二极管VD1和VD2的电压、电流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of VD1and VD2

图7 效率曲线Fig.7 Efficiency curve

图8 输出电压随负载变化曲线Fig.8 Curve of output voltage vs.load

5 结论

本文详细分析了SDR-FB DCX的工作原理、稳态特性以及软开关实现条件。分析结果表明，采用双极性控制方式，SDR-FB DCX表现出直流变压器的特性，其电压增益比与负载、开关频率和占空比无关，并可在全负载范围内实现开关管的零电压开关和副边整流二极管的零电流关断，减小了开关损耗和整流二极管的反向恢复损耗，提高了SDR-FB DCX的效率，同时抑制了整流二极管的电压尖峰与振荡，将整流二极管的电压箝位在输出电压，降低了整流二极管的电压应力。直流变压器在分布式电源架构中间母线变换器和高效率宽输入电压范围的电压调节模块等场合具有较大的应用前景。