基于光伏储能系统的软开关Buck变换器设计*

薛佃旭，苏建徽，张 健，徐海波

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009;2.东莞南方半导体科技有限公司，广东 东莞 523808)

0 引 言

光伏发电作为新能源发电系统的重要组成部分，受到人们越来越多的重视并得到了广泛的研究[1]。大型光伏储能系统太阳能电池板常串联使用，输出电压较高，常使用Buck变换器降压后为储能电池充电。然而，随着开关频率的提高，工作在硬开关脉宽调制(pulse width modulation，PWM)方式下的Buck变换器的开关损耗急剧增加，严重影响变换器的效率和功率密度[2,3]。采用软开关技术可以在提升变换器工作频率的同时保证变换器的效率，从而大大提升变换器的功率密度。在众多软开关技术中，零电压转换(zero-voltage transition,ZVT)和零电流转换(zero current transition,ZCT)软开关变换器优势明显[4～6]。零转换PWM电路将谐振电路与主开关并联，使用辅助开关控制谐振的开始，电路在很宽的输入电压范围和输出负载变化范围内均可实现软开关[7,8]。

本文将一种由新型有源缓冲电路组成的ZVT单元引入Buck变换器中，设计了一种应用于光伏储能系统的软开关Buck变换器,并进行了仿真与实验验证。

1 电路结构与原理分析

新型软开关Buck电路拓扑结构如图1所示，开关S1，二极管D1，电感L1和电容C1构成了Buck变换器的主要结构。由开关S2，电感L2，电容C2以及二极管D2，D3，D4组成的有源缓冲电路构成新型ZVT单元。开关管S1和S2的寄生电容分别由Coss1和Coss2表示。

图1 电路拓扑结构

为了简化电路的稳态分析过程，现做假设：1)输入电源电压Vin无脉动；2)电感L1电流IO无脉动；3)所有的无源器件视为理想器件。

变换器在一个工作周期内的详细工作原理分析如下：

模态1[t0-t1]：t1时刻前，主开关和缓冲开关均处于关断状态，电路工作在正常关断状态，主二极管D1导通，与传统Buck电路主开关断开时的工作状态一样。

模态2[t1-t2]：t1时刻，缓冲开关S2导通，缓冲电感L2的电流iL2线性增加，上升斜率为Vin/L2。由于开关S2和L2串联，因此其在t1时刻以ZCS状态导通。t2时刻，L2的电流iL2等于IO，流过二极管D1的电流为零，D1以ZCS状态关断，模态2结束。

模态3[t2-t3]：t2时刻，二极管D1关断，L2，Coss1开始谐振，在此阶段，电感L2由主开关管寄生电容Coss1充电，Coss1储存的能量将全部转移到L2，Coss1电压减小到零，模态3结束。

模态4[t3-t4]：t3时刻，主开关S1的体二极管导通，S1和L2的电压被钳位为0，主开关管S1将以ZVS导通，iL2保持在IL2_peak。此时流过S1的体二极管的电流为IL2_peak-IO。

模态5[t4-t5]：t4时刻，同时施加主开关管S1的导通信号和缓冲开关S2的关断信号，S1以ZVS状态导通、S2以ZVS状态关断。S2关断后，二极管D3导通，C2,Coss2和L2开始谐振，直至Coss2和C2的电压达到输入电压Vin，此模态结束。

模态6[t5-t6]：t5时刻，二极管D4导通，储存在电感L2中的能量回馈到输入端。t6时刻，电流iL2减小到零，D2,D3,D4以ZCS状态关断，此模态结束。

模态7[t6-t7]：t6时刻，Coss2和L2开始谐振，Coss2放电。由于C2≫Coss2，在此谐振期间可以认为Vc2是不变的。当Coss2的电压等于零时，L2的电流达到最小值IL2_min，此状态结束。

模态8[t7-t8]：t7时刻，辅助开关S2的体二极管导通。L2和C2开始谐振，当L2的电流等于零时此模态结束。谐振期间，缓冲电容C2减小的电压值为ΔVC2，可由式(1)计算得出

(1)

模态9[t8-t9]：此模态运行期间，流过主开关管S1的电流为负载电流IO，缓冲电路的所有半导体器件全部处于关断状态。变换器与传统Buck变换器运行在主开关开通时的状态一样。

模态10[t9-t10]：t9时刻，主开关S1关断，二极管D1,辅助二极管D2仍处于反偏关断状态。电流IO为主开关S1的寄生电容Coss1充电至ΔVC2。由式(1)可以看出ΔVC2的值非常小，远小于输入电压Vin，因此主开关S1近似为ZVS关断。

模态11[t10-t11]：t10时刻，二极管D2,D4导通。缓冲电容C2开始由负载电流IO放电，主开关S1的寄生电容Coss1在此阶段继续充电直至达到输入电压Vin，同时，一少部分能量为辅助开关管S2的寄生电容Coss2充电。当开关管两端电压达到输入电压Vin时，缓冲电容C2两端电压减小到0，二极管D2,D4关断，此模态结束，二极管D1导通，下一开关周期开始。图2为变换器在一个开关周期内的11个工作模态的等效电路，对应的波形如图3所示，电路中器件的电流方向按照图1箭头所示。

图2 电路各模态等效电路

图3 电路各模态波形

2 电路参数设计

有源缓冲电路作为ZVT单元，主要用来对电路开关器件进行软开关操作，是本文电路拓扑的关键部分。由于Buck主电路结构简单，因此本文主要对ZVT单元进行设计和计算，包括辅助开关管S2的导通时间、缓冲电感、缓冲电容的设计以及辅助开关管、辅助二极管的应力计算。

2.1 开关管S2的导通时间

由电路的模态分析可以看出，辅助开关管S2应先于主开关管S1一段时间导通，以保证主开关以ZVS状态导通，S2导通的时间设为tS2。

tS2的选择可以遵循以下原则：首先，tS2不宜过大，因为若S2导通时间过长，会导致缓冲电路导通损耗加大，因此，tS2的上限值应取小于变换器开关周期Ts的1/10的值。其次，tS2若选取的太小会导致主开关在轻载情况下ZVS导通失效。此外，为了显著降低主二极管D1的反向恢复损耗，并且考虑到模态3的谐振时间tr3，tS2应选择为大于5倍的trr。最终，基于本次设计的变换器的开关频率100 kHz，并结合仿真综合考虑后tS2选取为0.9 μs。

2.2 缓冲电感L2的设计

由前述理论分析可以看出，L2与辅助开关管S2的导通时间tS2有关；另外，从图3所示出电路波形图可以也可看出tS2应满足tS2≥tr2+tr3的关系，其中tr2和tr3分别表示模态2和模态3持续的时间，可由式(2)、式(3)计算得到

(2)

(3)

将式(2)和式(3)代入上述不等式可以得到电感L2的值应满足如下关系式

(4)

将2.1节中得到的tS2的值代入式(4)可以得到L2≤19 μH。为了尽量减少电路工作在模态3续流状态的时间，在确定L2的值时应尽量靠近其最大值。

2.3 缓冲电容C2的设计

缓冲电容C2决定主开关管S1在模态10关断时的关断电压以及辅助开关管S2关断时的dv/dt。由式(1)可知，计算C2的值需要首先确定ΔVC2的值，ΔVC2一般选取为小于输入电压的15 %，进而由式(1)到C2的下限值。此外，为了使主开关管在模态10以近似ZVS状态关断，当模态5结束时，缓冲电容C2两端的电压应至少保证被储存在电感L2中的能量充电至(Vin-ΔVC2)。因此，缓冲电容C2的值应满足以下关系

(5)

其中,IL2_peak可根据模态3谐振期间L2与Coss1确定的电流关系得到

(6)

(7)

在计算得到IL2_peak的值后，最终确定C2=10 nF。

2.4 辅助开关管及辅助二极管应力计算

由前述理论分析可知，辅助开关管关断时承受的电压即为输入电压Vin。由于辅助开关管S2与辅助电感L2串联，L2的峰值电流即为S2的峰值电流，因此,S2的电流有效值可以由IL2_peak近似计算得到

(8)

由图3所示电路波形图可知，二极管D2,D3,D4承受的电压应力分别为ΔVC2,Vin,Vin。此外，由波形图可以看出在电路中的三个辅助二极管中，D2所承受的电流应力最高，因此只需要确定流过二极管D2的电流即可。流过D2的平均电流为

(9)

式中tr5与tr11的值分别表示模态(5)和模态(11)持续的时间，可由式(10)和式(11)计算得到

tr5=t5-t4

(10)

(11)

确定电路输入电压Vin=350 V，输出电压VO=150 V，开关频率fs=100 kHz，输出功率PO=1.5 kW。结合前述内容，最终得到电路相关关键参数如表1所示。

表1 电路关键参数

3 仿真与实验

3.1 仿真结果

为了验证理论分析的正确性，本文使用电源仿真软件SIMetrix对所提出的电路进行仿真。仿真电路中相关器件参数与表1所示一致。仿真结果如图4所示。

电路中主开关S1接通与关断时的ZVS特性如图4(a)所示。图4(b)所示为辅助开关管S2的ZCS接通和ZVS断开波形。图4(c)为输出二极管D1以ZCS断开时的波形。三个辅助二极管D2,D3,D4的软开关特性分别由图4(d)～(f)表示。仿真结果与前述理论分析一致。

图4 电路的仿真波形

3.2 实验结果

按照表1所示相关参数搭建了实验样机。变换器在满载时的效率达到98.1 %。开关器件工作在软开关状态，与仿真结果一致，验证了理论分析的正确性。主开关S1的电压、电流如图5(a)所示，辅助开关管S2的电压、电流如图5(b)所示，S1为ZVS开通、ZVS关断，S2为ZCS开通、ZVS关断。输入与输出电压波形如图5(c)所示，输入电压Vin=350 V，输出电压Vo=150 V。

图5 电路的实验波形

4 结 论

本文分析了带有有源缓冲电路的Buck变换器的工作原理，对变换器的缓冲电感和缓冲电容进行了设计，给出开关管及二极管的选型依据，将变换器应用在光伏储能系统中。仿真与实验表明:变换器实现了输入350 V到输出150 V的电压转换，电路中所有半导体器件均工作在软开关状态，降低了开关损耗，提升了变换器的功率密度。变换器结构和控制方式简单，具有比较好的应用前景。