葛小偉， 謝少軍， 丁鵬嶺

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210000)

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電流源型半橋變換器啟動沖擊及開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰問題研究

葛小偉， 謝少軍， 丁鵬嶺

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210000)

針對電流源型半橋變換器存在的啟動沖擊電流過大以及開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰問題展開研究與分析。在介紹電流源型半橋變換器穩(wěn)態(tài)工作原理的基礎(chǔ)上，分析了電流源型半橋變換器開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰產(chǎn)生的原因以及啟動沖擊電流過大的原因，針對這兩個問題提出了改進措施，增加了有源吸收電路，并給出了啟動時的控制方法。最后搭建了一臺28 V輸入/180 V輸出、250 W的電流源型半橋變換器樣機進行了實驗研究，研究所提出的電路改進措施和控制方法的可行性。

電流源型半橋變換器；啟動沖擊電路；關(guān)斷電壓尖峰；有源吸收電路；控制方法

0 引 言

電流源型半橋變換器(Current-Fed Half-Bridge Converter)[1-3]具有升壓比大、輸入電流脈動小等特點，在需要輸入輸出電氣隔離、高電壓增益的DC/DC變換場合[4]，尤其是需要低輸入電流紋波，如蓄電池供電的場合，具有重要的應(yīng)用價值。

但電流源型半橋變換器也存在一些問題，如存在啟動沖擊電流過大、開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰等問題。針對啟動沖擊電流過大問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。文獻[5]利用電感的輔助繞組對啟動沖擊電流加以限制，復(fù)位繞組可以直接與輸入源相連，也可與輸出端相連。文獻[6]在電路中增加了啟動電阻，依靠電阻對啟動時的沖擊電流進行限制。以上方法雖然解決了啟動沖擊電流過大的問題但在不同程度上使電路復(fù)雜化，并且?guī)砹艘欢ǖ膿p耗，使變換器效率降低。

本文針對電流源型半橋變換器啟動沖擊電流問題提出了一種電路改進方案，改進電路不僅可以配合適當?shù)目刂品椒ń鉀Q啟動沖擊電流問題，而且可以有效減小開關(guān)管關(guān)斷時漏源間電壓尖峰。

1 電流源型半橋變換器研究

1.1 變換器電路拓撲

圖1 采用全波倍壓整流電路的電流源型半橋變換器

本文所研究的電流源型半橋變換器電路如圖1所示，變換器原邊采用電流源的形式，由電感L1、L2以及開關(guān)管Q1、Q2組成，副邊采用全波倍壓的整流方式，由整流二極管D1、D2以及濾波電容C1、C2組成。

1.2 變換器穩(wěn)態(tài)工作原理分析

分析變換器穩(wěn)態(tài)工作原理之前做如下假設(shè)：①所有器件均為理想器件；②電感L1=L2，電容C1=C2。變換器穩(wěn)態(tài)工作波形如圖2所示，圖中ugs1、ugs2為開關(guān)管Q1與Q2的驅(qū)動電壓，iL1、iL2為電感L1與電感L2的電流，iQ1為流過開關(guān)管Q1的電流，ip為流過變壓器原邊的電流，uds1為開關(guān)管Q1漏源極間的電壓，up為變壓器原邊電壓。

圖2 電感電流連續(xù)時變換器穩(wěn)態(tài)工作波形

由穩(wěn)態(tài)工作波形可知，變換器每個開關(guān)周期存在4個工作模態(tài)。分析變換器工作模態(tài)可知，當占空比D<0.5時，存在開關(guān)管Q1與Q2同時關(guān)斷的情況，此時，電感電流將不存在續(xù)流回路，影響變換器的正常工作。為使得變換器能夠正常工作，需占空比D≥0.5。

圖3 開關(guān)管Q1關(guān)斷時等效電路圖

1.3 變換器啟動沖擊電流過大原因分析

當變換器剛開機時，輸出電壓接近于零，當開關(guān)管開通時，電感上的電壓為輸入電壓，電感電流增加；當開關(guān)管關(guān)斷時，電感上的電壓為uin-uo/2n，此時輸出接近為零，電感上的電壓接近uin，電感電流依然增大，即在開關(guān)管開通與關(guān)斷期間，電感電流始終處于增加的情況，一個周期內(nèi)磁通不能保持平衡，經(jīng)過多個開關(guān)周期之后，電感飽和，從而引起啟動沖擊電流。

1.4 開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰原因分析

在非理想情況下，考慮變壓器漏感與開關(guān)管寄生電容時，開關(guān)管Q1關(guān)斷時的等效電路圖如圖3所示。

當開關(guān)管Q1關(guān)斷前，電感L1上的電流線性增加，當Q1關(guān)斷時，由于變壓器漏感Lr上的電流不能突變，導致電感L1上的電流對開關(guān)管Q1的寄生電容Cds1充電，漏感Lr與寄生電容Cds1產(chǎn)生諧振，從而在Cds1上產(chǎn)生諧振尖峰。諧振頻率與Lr、Cds1的大小成反比，Cds1上的諧振尖峰與Lr的大小成正比，與Cds1成反比。

2 變換器啟動沖擊電流與開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰問題解決方案

2.1 電路方案改進

為解決啟動沖擊電流過大的問題并減小開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰，對電流源型半橋變換器進行電路改進，增加了有源吸收電路[7]，電路如圖4所示。

圖4 帶有有源吸收電路的電流源型半橋變換器

如圖4所示，有源吸收電路由吸收二極管Da1、Da2，吸收電容Cc，反激變壓器T2，開關(guān)管Qf以及整流二極管D3組成，其中T2、Qf、D3組成小功率反激變換器。

2.2 啟動沖擊電流問題解決方案

為解決啟動沖擊電流過大的問題，在變換器啟動時進行軟啟動，即開關(guān)管占空比逐漸從零展開。從零逐漸展開的過程中勢必會出現(xiàn)兩個開關(guān)管同時關(guān)斷的情況，但由于有源吸收電路的存在，當兩個開關(guān)管同時關(guān)斷時，電感L1與L2中的電流分別通過二極管Da1與Da2流入箝位電容Cc上，而Cc上的能量通過有源吸收電路傳遞至輸出側(cè)，從而允許了軟啟動時兩個開關(guān)管同時關(guān)斷的情況，而當軟啟動結(jié)束后，開關(guān)管占空比最小將會被限制在最小值(如設(shè)置為0.55)，將不存在兩個開關(guān)管同時關(guān)斷的情況。這樣，有源吸收電路配合軟啟動可以有效解決電流源型半橋變換器啟動沖擊電流的問題。

2.3 減小開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰方案

增加了有源吸收電路后，開關(guān)管Q1關(guān)斷時，電感L1的電流給寄生電容Cds1充電并通過二極管Da1給吸收電容Cc充電，充電時等效增加了諧振電容，因諧振尖峰與諧振電容成反比，從而諧振尖峰得到了抑制，有源吸收電路起到了抑制開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰的作用，另吸收電容Cc上的能量通過反激變換器傳遞至輸出側(cè)，有效地將漏感的能量利用起來，減小了漏感損耗，提高變換器的工作效率。

3 實驗驗證

制作了一臺250 W的電流源型半橋變換器，對所給出的電路改進方案進行了驗證。試驗樣機的主要參數(shù)：輸入電壓Uin：28 VDC；輸出電壓Uo：180 VDC；額定輸出功率Po：250 W；開關(guān)頻率fs：250 kHz；變壓器匝比n：1；電感L1、L2：60 μH；開關(guān)管Q1、Q2：BSC190N15NS3 G；整流二極管D1、D2：STPSC16H065C；濾波電容C1、C2：200 μF。

3.1 啟動實驗分析

圖5 電流源型半橋變換器空載啟動波形

圖5給出了電流源型半橋變換器空載啟動時的波形，包括開關(guān)管Q1與Q2的驅(qū)動電壓ugs1與ugs2、輸出電壓uo以及輸入電流iin的波形。

由圖5可以看出，當輸出電壓從零逐步抬升的過程中，輸入電流也逐漸上升，但輸入電流的峰值僅為2 A左右，啟動沖擊電流得到了抑制，說明有源吸收電路與軟啟動控制方法的配合可以有效解決電流源型半橋變換器啟動沖擊電流過大的問題。

3.2 開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰實驗分析

圖6給出了當輸出功率為250 W時，開關(guān)管Q1漏源極間電壓uds1的實驗波形，其中圖6(a)為不加有源吸收電路時uds1的實驗波形，圖6(b)為帶有有源吸收電路時uds1的實驗波形。

對比圖6(a)與圖6(b)可以看出，當增加了有源吸收電路后，開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰明顯減小，說明有源吸收電路能夠有效的減小開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。

圖6 驅(qū)動及uds1的實驗波形

4 結(jié)束語

在介紹電流源型半橋變換器工作原理的基礎(chǔ)上，分析了其啟動沖擊電流問題和開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰問題，提出了附加有源吸收電路的改進電路方案。增加的有源吸收電路使得變換器在啟動時占空比從零逐漸增加，從而可以有效地抑制啟動沖擊電流，另有源吸收可以有效地減小穩(wěn)態(tài)工作時開關(guān)管的關(guān)斷電壓尖峰。

[1] 楊晨，王燁，毛玲,等. 基于電流源半橋變換器的光伏直流模塊研究[J]. 電工技術(shù)學報，2014,29(1):314-319.

[2] 張航. 電流源型半橋變換器技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2008.

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[4] 王燁. 基于電流源型半橋變換器的光伏直流模塊研究[D]. 南京：南京航空航天大學，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] 張方華，蘇通，王旭東,等. 高功率密度航空靜止變流器的研制[J]. 電力電子技術(shù)，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

葛小偉(1991- )男，江蘇南京人，碩士生，研究方向為航空靜止變流器。 謝少軍(1968- ) 男，江蘇南京人，教授，博士生導師，研究方向為電工理論與新技術(shù)。 丁鵬嶺(1990- ) 男，江蘇南京人，碩士生，研究方向為航空電源系統(tǒng)。

定稿日期: 2016-01-21