电流源型半桥变换器启动冲击及开关管关断电压尖峰问题研究

葛小伟， 谢少军， 丁鹏岭

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210000)



电流源型半桥变换器启动冲击及开关管关断电压尖峰问题研究

葛小伟， 谢少军， 丁鹏岭

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210000)

针对电流源型半桥变换器存在的启动冲击电流过大以及开关管关断电压尖峰问题展开研究与分析。在介绍电流源型半桥变换器稳态工作原理的基础上，分析了电流源型半桥变换器开关管关断电压尖峰产生的原因以及启动冲击电流过大的原因，针对这两个问题提出了改进措施，增加了有源吸收电路，并给出了启动时的控制方法。最后搭建了一台28 V输入/180 V输出、250 W的电流源型半桥变换器样机进行了实验研究，研究所提出的电路改进措施和控制方法的可行性。

电流源型半桥变换器；启动冲击电路；关断电压尖峰；有源吸收电路；控制方法

0 引 言

电流源型半桥变换器(Current-Fed Half-Bridge Converter)[1-3]具有升压比大、输入电流脉动小等特点，在需要输入输出电气隔离、高电压增益的DC/DC变换场合[4]，尤其是需要低输入电流纹波，如蓄电池供电的场合，具有重要的应用价值。

但电流源型半桥变换器也存在一些问题，如存在启动冲击电流过大、开关管关断电压尖峰等问题。针对启动冲击电流过大问题，国内外学者进行了大量的研究。文献[5]利用电感的辅助绕组对启动冲击电流加以限制，复位绕组可以直接与输入源相连，也可与输出端相连。文献[6]在电路中增加了启动电阻，依靠电阻对启动时的冲击电流进行限制。以上方法虽然解决了启动冲击电流过大的问题但在不同程度上使电路复杂化，并且带来了一定的损耗，使变换器效率降低。

本文针对电流源型半桥变换器启动冲击电流问题提出了一种电路改进方案，改进电路不仅可以配合适当的控制方法解决启动冲击电流问题，而且可以有效减小开关管关断时漏源间电压尖峰。

1 电流源型半桥变换器研究

1.1 变换器电路拓扑

图1 采用全波倍压整流电路的电流源型半桥变换器

本文所研究的电流源型半桥变换器电路如图1所示，变换器原边采用电流源的形式，由电感L1、L2以及开关管Q1、Q2组成，副边采用全波倍压的整流方式，由整流二极管D1、D2以及滤波电容C1、C2组成。

1.2 变换器稳态工作原理分析

分析变换器稳态工作原理之前做如下假设：①所有器件均为理想器件；②电感L1=L2，电容C1=C2。变换器稳态工作波形如图2所示，图中ugs1、ugs2为开关管Q1与Q2的驱动电压，iL1、iL2为电感L1与电感L2的电流，iQ1为流过开关管Q1的电流，ip为流过变压器原边的电流，uds1为开关管Q1漏源极间的电压，up为变压器原边电压。

图2 电感电流连续时变换器稳态工作波形

由稳态工作波形可知，变换器每个开关周期存在4个工作模态。分析变换器工作模态可知，当占空比D<0.5时，存在开关管Q1与Q2同时关断的情况，此时，电感电流将不存在续流回路，影响变换器的正常工作。为使得变换器能够正常工作，需占空比D≥0.5。

图3 开关管Q1关断时等效电路图

1.3 变换器启动冲击电流过大原因分析

当变换器刚开机时，输出电压接近于零，当开关管开通时，电感上的电压为输入电压，电感电流增加；当开关管关断时，电感上的电压为uin-uo/2n，此时输出接近为零，电感上的电压接近uin，电感电流依然增大，即在开关管开通与关断期间，电感电流始终处于增加的情况，一个周期内磁通不能保持平衡，经过多个开关周期之后，电感饱和，从而引起启动冲击电流。

1.4 开关管关断电压尖峰原因分析

在非理想情况下，考虑变压器漏感与开关管寄生电容时，开关管Q1关断时的等效电路图如图3所示。

当开关管Q1关断前，电感L1上的电流线性增加，当Q1关断时，由于变压器漏感Lr上的电流不能突变，导致电感L1上的电流对开关管Q1的寄生电容Cds1充电，漏感Lr与寄生电容Cds1产生谐振，从而在Cds1上产生谐振尖峰。谐振频率与Lr、Cds1的大小成反比，Cds1上的谐振尖峰与Lr的大小成正比，与Cds1成反比。

2 变换器启动冲击电流与开关管关断电压尖峰问题解决方案

2.1 电路方案改进

为解决启动冲击电流过大的问题并减小开关管关断电压尖峰，对电流源型半桥变换器进行电路改进，增加了有源吸收电路[7]，电路如图4所示。

图4 带有有源吸收电路的电流源型半桥变换器

如图4所示，有源吸收电路由吸收二极管Da1、Da2，吸收电容Cc，反激变压器T2，开关管Qf以及整流二极管D3组成，其中T2、Qf、D3组成小功率反激变换器。

2.2 启动冲击电流问题解决方案

为解决启动冲击电流过大的问题，在变换器启动时进行软启动，即开关管占空比逐渐从零展开。从零逐渐展开的过程中势必会出现两个开关管同时关断的情况，但由于有源吸收电路的存在，当两个开关管同时关断时，电感L1与L2中的电流分别通过二极管Da1与Da2流入箝位电容Cc上，而Cc上的能量通过有源吸收电路传递至输出侧，从而允许了软启动时两个开关管同时关断的情况，而当软启动结束后，开关管占空比最小将会被限制在最小值(如设置为0.55)，将不存在两个开关管同时关断的情况。这样，有源吸收电路配合软启动可以有效解决电流源型半桥变换器启动冲击电流的问题。

2.3 减小开关管关断电压尖峰方案

增加了有源吸收电路后，开关管Q1关断时，电感L1的电流给寄生电容Cds1充电并通过二极管Da1给吸收电容Cc充电，充电时等效增加了谐振电容，因谐振尖峰与谐振电容成反比，从而谐振尖峰得到了抑制，有源吸收电路起到了抑制开关管关断电压尖峰的作用，另吸收电容Cc上的能量通过反激变换器传递至输出侧，有效地将漏感的能量利用起来，减小了漏感损耗，提高变换器的工作效率。

3 实验验证

制作了一台250 W的电流源型半桥变换器，对所给出的电路改进方案进行了验证。试验样机的主要参数：输入电压Uin：28 VDC；输出电压Uo：180 VDC；额定输出功率Po：250 W；开关频率fs：250 kHz；变压器匝比n：1；电感L1、L2：60 μH；开关管Q1、Q2：BSC190N15NS3 G；整流二极管D1、D2：STPSC16H065C；滤波电容C1、C2：200 μF。

3.1 启动实验分析

图5 电流源型半桥变换器空载启动波形

图5给出了电流源型半桥变换器空载启动时的波形，包括开关管Q1与Q2的驱动电压ugs1与ugs2、输出电压uo以及输入电流iin的波形。

由图5可以看出，当输出电压从零逐步抬升的过程中，输入电流也逐渐上升，但输入电流的峰值仅为2 A左右，启动冲击电流得到了抑制，说明有源吸收电路与软启动控制方法的配合可以有效解决电流源型半桥变换器启动冲击电流过大的问题。

3.2 开关管关断电压尖峰实验分析

图6给出了当输出功率为250 W时，开关管Q1漏源极间电压uds1的实验波形，其中图6(a)为不加有源吸收电路时uds1的实验波形，图6(b)为带有有源吸收电路时uds1的实验波形。

对比图6(a)与图6(b)可以看出，当增加了有源吸收电路后，开关管关断电压尖峰明显减小，说明有源吸收电路能够有效的减小开关管关断电压尖峰。

图6 驱动及uds1的实验波形

4 结束语

在介绍电流源型半桥变换器工作原理的基础上，分析了其启动冲击电流问题和开关管关断电压尖峰问题，提出了附加有源吸收电路的改进电路方案。增加的有源吸收电路使得变换器在启动时占空比从零逐渐增加，从而可以有效地抑制启动冲击电流，另有源吸收可以有效地减小稳态工作时开关管的关断电压尖峰。

[1] 杨晨，王烨，毛玲,等. 基于电流源半桥变换器的光伏直流模块研究[J]. 电工技术学报，2014,29(1):314-319.

[2] 张航. 电流源型半桥变换器技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2008.

[3] CHUNG WOOK ROH, SEUNG HOON, SUNG SOO HONG, et al. Dual-coupled inductor-fed DC/DC converter for battery drive application[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2004,51(3):577-584.

[4] 王烨. 基于电流源型半桥变换器的光伏直流模块研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2015.

[5] P J WOLFS. A current-sourced DC-DC converter derived via the duality principle from the half-bridge converter[J]. IEEE Trans. on IE, 1993,40(1):139-144.

[6] W C P DE ARAGAO FILHO, I BARBI. A comparision between two current-fed push-pull dc-dc converters—analysis,design,and experimentation[J]. IEEE INTELEC’96, 1996:313-320.

[7] 张方华，苏通，王旭东,等. 高功率密度航空静止变流器的研制[J]. 电力电子技术，2014,48(12):15-21.

Research on Inrush-current and Turn-off Surge Voltage of Current-fed Half-bridge Converter

Ge Xiaowei， Xie Shaojun， Ding Pengling

(Automation College of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000, China)

The problems of large inrush current and the turn-off surge voltage of current-fed half-bridge are studied. The operation principle of current-fed half-bridge converter is analyzed, and based on the operation principle, the reasons of the inrush starting current and the turn-off surge voltage are analyzed. To solve these problems, an improved scheme is proposed. An active snubber circuit is added and a control strategy when the converter starts up is given. At last, a 28 V input/180 V output rated at 250 W current-Fed half-Bridge converter is set up to validate the circuit improvement and control method.

current-fed half-bridge converter; inrush-current; turn-off surge voltage; active snubber circuit; control methods

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.001

TM461

A

1000-3886(2016)03-0001-02

葛小伟(1991- )男，江苏南京人，硕士生，研究方向为航空静止变流器。 谢少军(1968- ) 男，江苏南京人，教授，博士生导师，研究方向为电工理论与新技术。 丁鹏岭(1990- ) 男，江苏南京人，硕士生，研究方向为航空电源系统。

定稿日期: 2016-01-21