秦曉佳，吳義純，陳銀，于傳，馬娟，李冰

（1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022；3.陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

太陽能微型逆變器的研究成為最近幾年人們研究可再生能源的重要裝置，專業(yè)研究人員都在設(shè)法提高微型逆變器的效率。隨著功率開關(guān)器件的發(fā)展，人們在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變換技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步，發(fā)展到了相當(dāng)高的水平；有源鉗位電路是在開關(guān)電源中常用的一種軟開關(guān)控制電路，現(xiàn)在被人們更多地應(yīng)用在對高頻電路中開關(guān)管的保護(hù)上。在本文中，有源鉗位電路應(yīng)用在太陽能微型逆變器的前級升壓部分，用以吸收反饋能量和減小開關(guān)管的承受的電壓應(yīng)力。

在反激式變換器中，漏感Lr是衡量變壓器性能的一項重要指標(biāo)。變壓器的漏感和開關(guān)管的結(jié)電容諧振，使開關(guān)管在截止瞬間產(chǎn)生很高的電壓尖峰，容易把開關(guān)器件過壓擊穿，所以在反激式變換器中開關(guān)器件往往需要承受很高的電流和電壓應(yīng)力。為了使功率開關(guān)器件工作在安全工作區(qū)，要將變壓器漏感產(chǎn)生感生電勢（過電壓）限制在允許范圍內(nèi)，本文通過設(shè)置有源鉗位電路限制變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰過電壓。并通過實驗和matlab 仿真驗證了有源鉗位電路提高轉(zhuǎn)換效率的有效性。

1 反激式DC-DC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1 無源鉗位電路的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分析

鉗位電路是將脈沖信號的某一部分固定在指定電壓值上，并保持原波形形狀不變的電路，分為有源鉗位電路和無源鉗位電路，下面首先對兩種無源鉗位電路做一個比較分析。

ZD 鉗位電路，對由齊納二極管的阻斷電壓指定的開關(guān)管電壓提供硬鉗位，該電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，缺點是鉗位電壓要由二極管的阻斷電壓決定，大大限制了抑制不同的尖峰電壓。

RCD 鉗位電路，其開關(guān)管關(guān)斷后，漏感能量將被轉(zhuǎn)移到鉗位電容中，那么開關(guān)管兩端的電壓即被鉗位到固定值，從而減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。這種鉗位電路優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，但是變壓器激磁電感磁通復(fù)位的能量最終轉(zhuǎn)移到了電阻上，繼而轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，降低了反激式變換器的效率。

1.2 有源鉗位電路的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分析

有源鉗位電路，是指采用通態(tài)電阻較低的MOSFET 來做鉗位開關(guān)管，主功率開關(guān)管和鉗位開關(guān)管相互配合，當(dāng)主功率開關(guān)管關(guān)斷時，鉗位開關(guān)管導(dǎo)通，利用電容吸收尖峰電壓。由于鉗位開關(guān)管MOSFET 導(dǎo)通時的功率損耗很低，能夠大大提高反激式變換器的效率，因此，有源鉗位電路常用在工作頻率較高的反激變換電路中，實際工作中的有源鉗位電路如圖1 所示。

圖1 有源鉗位ZVS 反激式變換器電路

2 控制導(dǎo)通與關(guān)斷的PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計

離散的2P2Z 控制器傳遞函數(shù)：

PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖2 所示。

3 matlab 仿真及實驗結(jié)果分析

3.1 主功率管電壓分析

圖2 PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計圖

圖3 是基于matlab/simulink，變換器工作在100KHz時的仿真結(jié)果，分別是包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時的電壓波形對比圖。

圖3 包含有源鉗位和不含有源鉗位電路時的開關(guān)管承受的電壓波形對比圖

從仿真波形中可知，在不含有源鉗位電路的反激式變換器中，因開關(guān)管關(guān)斷時電流變換率非常大，變壓器漏感會產(chǎn)生一個電壓尖峰，而含有源鉗位電路的反激式變換器，因主開關(guān)電壓被鉗住，開關(guān)管兩端承受的電壓應(yīng)力則明顯減小。

3.2 功率損耗分析

有源鉗位電路損耗中開啟、關(guān)斷過程損耗占MOSFET 功率損耗的比例較大，開通、關(guān)斷損耗計算公式如（2）、（3）：

式中，Rds(on)為實際結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻，Id為導(dǎo)通時的電流有效值，Ton為一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間，f 為開關(guān)頻率，占空比D=Ton×f；VDS為截止時的D～S 的電壓，IDSS為截止時的實際結(jié)溫下的漏電流,toff為一個周期內(nèi)的截止時間。

matlab/simulink 仿真條件設(shè)置輸入電壓30V，占空比設(shè)為0.1，工作頻率設(shè)為100kHz，負(fù)載設(shè)為2kΩ，在含有源鉗位和不含有源鉗位電路兩種情況下，主開關(guān)管MOSFET 功率損耗波形如圖4 所示：

圖4 含有源鉗位和不含有源鉗位MOSFET 功率損耗

從仿真圖中可以計算，含有源鉗位和不含有源鉗位電路情況下，轉(zhuǎn)換效率不同，包含有源鉗位電路的轉(zhuǎn)換效率為η=97.3%，不含有源鉗位電路的轉(zhuǎn)換效率η=89.7%，由仿真波形看出，包含有源鉗位電路的主功率管MOSFET 損耗相對要小，能夠有效提高電路效率。根據(jù)仿真的結(jié)果，在實驗平臺上進(jìn)行包含有源鉗位的反激式變換電路主開關(guān)管MOSFET電壓、電流實驗，得到的電壓電流波形如圖5 所示：

圖5 實驗波形

從實驗波形能夠看出，MOSFET 兩端的尖峰電壓低，說明有源鉗位電路能夠有效削去尖峰電壓，降低MOSFET 電壓應(yīng)力，從而使開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷時的開關(guān)損耗減小。

4 結(jié)語

本文對反激式微逆變器中的有源鉗位電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要是功率開關(guān)管MOSFET 承受的電壓應(yīng)力和功率損耗。通過matlab 仿真結(jié)果以及實驗表明，有源鉗位電路能夠有效降低MOSFET 承受的電壓應(yīng)力，從而減少電路的損耗。