无源钳位ZVZCS变换器的关键参数的设计方法与仿真验证

本文结合光伏并网逆变器的特点介绍了一种无源钳位的ZVZCS变换器，此变换器较好地实现了超前臂的ZVS、滞后桥臂的ZCS,降低了系统的损耗；且原副边占空比丢失较传统的ZVS变换器有所减小，副边整流二极管的寄生振荡基本得到消除；设计了一套1kW的参数，通过matlab软件仿真初步验证了此变换器的正确性和可行性。

目前并网逆变器市场上大多采用工频隔离型并网逆变器，由于工频变压器会使系统效率变低、体积大、成本高等缺点，近年来，高频隔离型并网逆变器也逐渐成为研究热点；但是逆变器的高频化会带来高电磁干扰（EMI）和高开关损耗，同时考虑到光伏并网系统作为大功率系统的应用，因此移相全桥软开关变换器（FB-ZVZCS）很适用于光伏并网中的DC/DC环节。

1 原理分析及实现软开关的条件

1.1 原理分析

图1为无源钳位的ZVZCS全桥变换器，该电路中超前桥臂通过并联在两个开关管V1和V3上电容的C1和C3来实现零电压开关。而实现滞后桥臂零电流开关，是在续流期间通过钳位电容CC上的电压反射到漏感Lr上，使得原边电流迅速下降来实现的。

为简化电路分析，先作如下假设：所有元件都是理想的；输出滤波电容很大，可近似为电压源，输出滤波电感很大，可近似为电流源；电容C1=C3=Cr,变压器匝数比为N1/N2=1/k,输入电压为Uin,输出电压为U0.在半个周期中，变换器一共有8种工作状态，各阶段主要波形如图2所示；

模式1[t0~t1]

t0时刻，V1开通，由于变压器漏感Lr的存在，原边电流不会发生突变，V4零电流开通，如图2所示。电压Uin作用于漏感Lr,原边电流Ip为：

模式2[t1~t2]

t1时刻，整流二极管VD2、VD3反向关断，VD2、VD3两端的反压等于U0,无源钳位电路开始工作，通过CC和D2给Cf充电，钳位电容Cc两端电压升高。这段时间内有：

模式3[t2~t3]

t2时刻，二极管D2关断，整流二极管VD2和VD3承受nUin电压，原边电流nI0,在这段时间内，变换器经变压器向负载提供能量，Cc上电压充至UCc（t2）=Uin-U0/2n并保持不变。

模式4[t3~t4]

t3时刻，V1关断，由于并联C1,V1实现了ZVS关断，电容C1开始充电，C3开始放电。

模式5[t4~t5]

在t4时刻，钳位二极管D1开始工作，原边不足以向副边提供能量，Cc通过Lf、Cf、D1开始向负载提供能量，同时C1继续充电、C3放电至t5时刻。

模式6[t5~t6]

t5时刻，C3放电完毕，续流二极管D3开始导通，为V3实现零电压开通提供了条件。V4处于续流状态，此时原边电流迅速下降，负载电流主要由钳位电容Cc提供，流过Cc的电流增大，在t6时刻原边电流减小为零，此时Cc的电流值达到最大。

模式7[t6~t6]

t6时刻，原边电流为零，负载电流全部由钳位电容Cc提供，整流二极管两端承受的反压随钳位电容Cc的放电下降。

模式8[t7~t8]

t7时刻，钳位电容Cc中的能量被全部释放，整流二极管VD1~VD4开始续流，变压器原边电流为零并且保持。在t8时刻关断V4,实现了零电流关断并结束前半个周期的换流；下一个时刻，V2零电流开通，开始进入下半个周期的循环，工作模式和上述分析基本相同。

1.2 实现软开关的条件

1.2.1 超前臂实觋ZVS条件

为实现零电压开关，要求要有足够的能量来使得同一桥臂开关管两端并联的电容充、放电，从而让即将开通的开关管的反并联二极管自然导通。所以要实现超前桥臂的零电压开关，需要在开关管导通和关断之前将电容C1和C3上的电荷抽走。根据模式4可得到最小死区时间。

Td>（C1+C2）Uin/2nI0 （3）

1.2.2 滞后臂实现ZCS条件

变压器漏感Lr的大小是以能实现滞后桥臂ZCS为前提的，假设滞后臂开关管的开通时间为ton,要实现ZCS需要（t1-t0）》ton,则根据工作模式1可得：

Lr=Uint/Ip（t）≥Uin（t1-t0）/2nI0≥Uinton/2nI0 （4）

2 关键参数的设计

变换器采用了移相控制，超前臂两开关管互补180°导通，两开关管驱动信号之间设置一定死区，滞后臂设置与超前臂相同，只是在相位上有一定的滞后，滞后角度反映了有效占空比的大小。设计步骤如下：

（1）设置两对桥臂的死区时间Td;

（2）设置占空比D,计算匝比k;

（3）根据式（1）算出谐振电感Lr,根据式（2）求出钳位电容Cc;

3 仿真研究

为了检验上述分析，采用matlab仿真软件对无源钳位的ZVZCS全桥变换器进行开环仿真（如图3所示），根据以上分析，设计电路参数为：输入电压Uin=36V,输出Uo=400V,输出功率Po=1000W,移相角30°，开关管频率fs=20kHz,输出滤波电容Cf=100 μF,输出滤波电感Lf=3mH,超前桥臂开关管并联电容C1=C3=0.2 μF,输入滤波电容Cin=1000μF,谐振电感Lr=0.36 μH,钳位电容CC=100nF,仿真结果如下：

图3为超前臂G1的管压降和驱动波形；在G1导通之前VDS1下降为零，在G1关断之前，VDS1保持为零，因此超前臂实现了ZVS.图4为滞后臂G3的驱动电压和流过G3电流波形；在G3开通之前，Ip电流保持为0,在G3关断之前Ip电流下降为0,滞后臂实现了ZCS.图5为变压器原、副边的电压波形；原边与副边的占空比存在差异，副边电压上升比原边电压上升略微滞后，这是由变压器原边漏感Lr造成的；而在电压下降时副边电压也滞后于原边电压，这是由无源钳位电路所造成；总体来看，较传统的ZVS变换器器占空比丢失有所减小。图6是副边整流二极管电压、电流波形，经过计算二极管电压尖峰理论值为535V,实际副边尖峰电压约540V,二极管电流尖峰理论值5.1A,实际电流尖峰5.4A较传统的ZVS变换器尖峰明显减小。图7是负载R输出电压、电流波形，由仿真图可以看出，输出电压最终稳定在400V左右，输出电流最终接近2.5A,输出功率Po=1000W.

4 结语

现阶段，实现FB-ZVZCS的方法有很多，主要有滞后桥臂串阻塞二极管、原边串饱和电抗器，副边有源钳位等等；文献提出了一种副边无源钳位的ZVZCS变换器，本文结合光伏逆变器的特点并从电路结构简单、占空比丢失小、副边整流二极管寄生振荡小、效率高的角度出发，采用无源钳位的ZVZCS变换器作为光伏升压移相全桥DC/DC变换器。

本文详细分析了其工作原理及软开关技术实现条件，介绍了变换器关键参数的设计方法。通过matlab软件对该变换器进行了仿真分析，仿真结果表明了理论分析的正确性和参数设计的合理性。