推挽型隔离DC-DC变换器软开关条件分析

阚志忠 冯建兴 孟宪慧,2 王晓寰 张纯江

推挽型隔离DC-DC变换器软开关条件分析

阚志忠1冯建兴1孟宪慧1,2王晓寰1张纯江1

（1. 燕山大学电气工程学院 秦皇岛 066000 2. 唐山学院机电工程系 唐山 063000）

电流型隔离DC-DC变换器具有电流脉动小的优点，有利于延长储能系统锂电池的使用寿命；同时，减小开关损耗是提高功率变换效率的关键技术之一。因此该文讨论利用电流型推挽隔离DC-DC变换器开关管的寄生电容进行谐振，满足开关管的软开关条件。首先分析变换器的增益特性和工作模态；其次基于变换器的等效电路模型，详细分析推挽型隔离DC-DC变换器的软开关瞬态过程，推导出变换器全部开关管软开关条件的参量表达式；最后通过仿真和实验结果验证了软开关条件的正确性。

DC-DC变换器 软开关 推挽型 隔离

0 引言

由于具有较高的安全性、较好的保护性和较小的体积，隔离型DC-DC变换器在电动汽车、新能源发电等方面得到广泛应用[1-4]，且智能电网和能源互联网中电能路由器的研究给这类变换器提出了新要求[5-8]。本文研究适用于电能路由器储能接口的推挽隔离型DC-DC变换器，用于锂离子电池和电能路由器直流母线之间能量传输。作为储能接口的DC-DC变换器需满足如下要求：①能够实现功率双向传输；②高效率；③宽电压范围；④电池侧低电流纹波。为此，许多学者开展了大量研究工作。

高效率是储能接口隔离型DC-DC变换器的重要指标，简化变换器结构、减小变换器的回流功率和实现软开关为高效率变换器研究的三个典型方向。文献[9-10]研究了一种隔离型双半桥DC-DC变换器拓扑及其工作原理。与全桥变换器相比，该变换器功率器件数量减少一半，且无需额外的开关器件和谐振元件，可实现软开关条件下的双向功率流动。文献[11]讨论了输入电感、移相角与占空比对双半桥DC-DC变换器软开关条件的影响。文献[12]分析了传统的移相全桥DC-DC变换器的功率回流现象和回流功率对电流应力的影响。文献[13]分析了PWM+移相控制下双半桥DC-DC变换器传输电感电流变化区间，通过占空比控制限制传输电感电流尖峰减小回流功率。文献[14]在建立推挽型隔离DC-DC变换器的状态平均模型的基础上，采用PWM加移相方式达到降低传输电感电流、减小回流功率和提高传输效率的目的。文献[15]重点讨论利用开关管占空比、移相比和变换器增益之间的关系优化变换器的软开关区间。本文针对电流型输入推挽隔离DC-DC双向变换器实现全部软开关问题，逐一分析开关管的软开关瞬态工作过程；建立每一个软开关瞬态过程的等效电路模型，详细推导出与每个开关对应的软开关工作条件，同时分析传输电感和开关管输出电容对软开关的影响。

1 变换器的工作原理

1.1 拓扑结构及增益

图1 推挽型隔离DC-DC变换器

图2 变换器的等效电路

图3 一次和二次电压波形

为保持在一个开关周期内输入升压电感及变压器的伏秒平衡，可得

当变换器稳态运行时，变压器二次侧传输电感s两侧电压的幅值分别为

则输入电压1与输出电压2的电压转换比为

根据图1中变压器的一次电流KCL方程和变压器磁动势平衡关系可得

将式（7）～式（9）联立，可以解出

1.2 工作模式分析

一个开关周期中推挽型隔离DC-DC变换器共有18个工作模态，变换器一个开关周期内的工作波形如图4所示。

图4 一个开关周期内的波形

从3～6时间段为后半个开关周期，其工作模态与0～3时间段类似，在此不再进行赘述。

2 软开关过程分析

通过对第1节工作原理分析可发现，推挽型隔离DC-DC变换器实现零电压开通，在开关管开通、关断过程中开关管的寄生电容与变压器传输电感s进行谐振，并在开关管开通前其两端电压下降到零，使反向并联二极管导通。下面通过分析谐振过程推导出推挽型DC-DC变换器的软开关条件。

在推挽型隔离DC-DC变换器中，桥臂S1和S2、桥臂S3和S4、桥臂S5和S6的工作方式完全对称，不存在超前滞后现象。因此，只要实现了开关管S1、S3和S5的零电压开通，即可实现所有开关管的零电压开通。因此，将对开关管S1（模态18）、S3（模态15）、S5（模态4）进行软开关分析。

2.1 开关管S1软开关分析

图5 S1零电压开通电路

图6 S1零电压开通等效电路

根据图6等效电路可列方程式为

由于开关器件寄生参数的一致性，则假设

解式（12）可得

此时，0.5＜＜1，联立式（13）、式（14）可解得

同时式（20）还可写成

由此可看出，当传输电感固定不变时，在一定范围内寄生电容r越小，S1越容易实现软开关。

2.2 开关管S3软开关分析

图7 S3零电压开通电路

图8 S3零电压开通等效电路

根据等效电路可列方程式为

由于开关器件寄生参数一致性，则假设

则可解出

由式（26）可得，当传输电感固定时，在一定范围内寄生电容值r越小，S3越容易实现软开关。

2.3 开关管S5软开关分析

图10 S5零电压开通等效电路

则可解出电容S5两端电压为

由式（31）可以看出，当传输电感固定时，在一定范围内寄生电容r越小，S5越容易实现软开关。

3 仿真与实验结果分析

为验证理论分析的正确性，采用Matlab仿真软件建立仿真模型进行验证，变换器主电路的仿真与实验参数见表1。

3.1 仿真分析

3.1.1 全周期软开关仿真分析

表1 主电路参数

Tab.1 main circuit parameters

图11 S1的开通过程仿真波形

图12 S3开通的仿真波形

图13 S5的开通过程仿真波形

根据开关管S5软开关过程原理，代入相应数值后可得：Is6=-7A，s=80mH，V2=350V。根据式（31）可得，r<16nF。开关管S5的寄生电容为130pF，该参数符合软开关寄生电容的数值范围，满足开关管S5软开关条件。

3.1.2 寄生电容对软开关的影响

在验证变换器所有开关管零电压开通的基础上，S2的寄生电容增加0.1mF，进一步验证软开关条件，图14为增加了0.1mF寄生电容开通过程仿真波形。

图14 增加了0.1mF寄生电容开通过程仿真波形

由3.1.1节可知，开关管寄生电容范围r＜8.166nF，开关管两端寄生电容要在此范围内，否则推挽型隔离DC-DC变换器将不能满足零电压开通条件。

3.2 实验分析

图15 S2的软开关实验波形

图16 S3的软开关实验波形

图17 S5的软开关实验波形

4 结论

电流型推挽隔离DC-DC变换器具有适合宽电压范围、电池侧低电流纹波的特点。本文首先分析了其工作原理，重点分析了变换器软开关过程，尤其是分析了寄生参数对软开关的影响，推导了推挽隔离DC-DC变换器中各个开关管达到软开关条件的参数表达式。在仿真和实验中通过设置不同的谐振电容值，进一步验证了软开关条件理论分析的正确性与有效性。

[1] 李广地, 阮杰, 王昆, 等. 一种混合调制型三路输出DC-DC变换器[J]. 电工技术学报, 2019, 34(22): 4719-4727.

Li Guangdi, Ruan Jie, Wang Kun, et al. A hybrid modulated triple-output DC-DC converter[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(22): 4719-4727.

[2] 余雪萍, 涂春鸣, 肖凡, 等. 三端口隔离DC-DC变换器的暂态直流偏置机理及抑制策略[J]. 电工技术学报, 2020, 35(9): 1962-1972.

Yu Xueping, Xu Chunming, Xiao Fan, et al. Transient DC bias mechanism and suppression strategy of the three-port isolated DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1962- 1972.

[3] 杨超, 许海平, 袁志宝, 等. 双PWM控制下三电平半桥隔离型双向DC-DC变换器的全局最小峰值电流研究[J]. 电工技术学报, 2020, 35(8): 1679-1689.

Yang Chao, Xu Haiping, Yuan Zhibao, et al. Global minimum peak current control of the three level isolated half-bridge bi-directional DC-DC converters with PWM-phase-shifting control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1679- 1689.

[4] 殷晓东, 罗登, 李祖勇, 等. 一种双向隔离DC-DC变换器二次纹波电压抑制方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(6): 1356-1363.

Yin Xiaodong, Luo Deng, Li Zuyong, et al. A second-order ripple voltage suppression algorithm of bidirectional isolation DC-DC converter[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(6): 1356-1363.

[5] Wu Runze, Wang Bixiao, Zou Yingjie, et al. Energy router interface model based on bidirectional flow control for intelligent park[C]//43rdAnnual Con- ference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017: 7771-7776.

[6] Li Zhen, Li Penghua, Sheng Wanxing, et al. Research on a household energy router for energy internet[C]// Conference on Industrial Electronics and Applications, Wuhan, 2018: 952-957.

[7] Wang Kaixuan, Liu Xiaosheng, Zhao Liang, et al. Research on structure and energy management strategy of household energy router based on hybrid energy storage[C]//2019 IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Con- ference (ISGT), Washington, DC, 2019: 1-5.

[8] Qin Yuchao, Hua Haochen, Cao Junwei. Short-term energy cache regulation for energy router: a robust h-infinity approach[C]//2019 IEEE International Con- ference on Energy Internet (ICEI), Nanjing, 2019: 161-166.

[9] Li Hui, Peng Fangzheng, Lawler J S. A natural ZVS medium-power bidirectional DC-DC converter with minimum number of devices[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 39(2): 525-535.

[10] Peng Fangzheng, Li Hui, Su Guijia, et al. A new ZVS bidirectional DC-DC converter for fuel cell and battery application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(1): 54-65.

[11] Hamid Daneshpajooh, Alireza Bakhshai, Praveen Jain. Design of DC-DC converter with phase shift and duty cycle control for full range soft switching[C]//2011 IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Amsterdam, 2011: 1-6.

[12] Zhao Biao, Yu Qingguang, Sun Weixin. Extended- phase-shift control of isolated bidirectional DC-DC converter for power distribution in microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4667-4680.

[13] Kang Xiangli, Li Shouxiang, Keyue Ma Smedley. Decoupled PWM plus phase-shift control for a dual-half-bridge bidirectional DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(8): 7203-7213.

[14] Kang Xiangli, Li Shouxiang, Keyue Ma Smedley. Analysis and modelling of a bidirectional push-pull converter with PWM plus phase-shift control[C]// 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics, Florence, 2016: 1268-1273.

[15] Li Shouxiang, Kang Xiangli, Keyue Ma Smedley. A control map for a bidirectional PWM plus phase- shift-modulated push-pull DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(11): 8514-8524.

Analysis of Soft Switching Conditions of Push-Pull Isolated DC-DC Converter

111,211

（1. School of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066000 China 2. Department of Mechanical And Electrical Engineering Tangshan University Tangshan 063000 China）

The current source isolated (CSI) DC-DC converter has the advantage of low current ripple, and it is beneficial to the service life of the lithium battery of the energy storage system. At the same time, reducing the switching loss is one of the key technologies to improve the power conversion efficiency. Therefore, this paper discusses the method of using the parasitic capacitance of the push-pull CSI DC-DC converter switch tube to perform resonance to meet the soft-switching conditions of the switch tube. Firstly, the gain characteristics and operating mode of the converter are analyzed. Secondly, based on the converter’s equivalent circuit model, the soft-switching transient process of the push-pull CSI DC-DC converter is analyzed in detail, and the parametric expressions of the soft-switching conditions of all switches of the converter are derived. Finally, the simulation and experimental results verify the correctness of the soft-switching conditions.

DC-DC converter, soft-switching, push-pull, isolation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90349

TM46

国家自然科学基金资助项目（51877187）。

2020-07-09

2020-12-09

阚志忠 男，1970年生，博士，副教授，研究方向为新能源变换技术。E-mail: kanzhizhong@126.com

张纯江 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为可再生能源分布式发电及控制、逆变电源及并联并网技术、储能系统功率流控制。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

（编辑 陈 诚）