第４６卷第２期 ２０１２年２月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１２ 输人并联输出串联有源箝位电流型半桥研究 韩晓明，马 皓 （浙江大学，电气工程学院，浙江杭州３１００２７） 摘要：针对能馈电子负载低压大电流输入、高增益和输入电流纹波小的要求．这里提出了输入并联输出串联 （ＰＩＳＯ）有源箝位电流型半桥电路。该电路可实现所有开关管的零电压开通，控制简单，同时增大了输入电流容 量．减小了输入电流纹波，实现了输出电压倍压。这里给出了在能馈电子负载应用中变换器的变压器匝比、漏 感、次级整流方式和输入电流恒流控制的设计方法。最后，设计制作了一台１ Ｖ输入、４８ Ｖ输出２００ Ｗ实验样 机。实验结果表明，该电路在低压大电流输入情况下工作稳定，满足能馈电子负载的要求。 关键词：变换器；有源筘位；电流型半桥；能馈电子负载 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）０２—００１８—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｌａｍｐｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ－ｆｅｄ Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｈ Ｉｎｐｕｔ Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｅｒｉｅｓ ＨＡＮ Ｘｉａｏ．ｍｉｎｇ．ＭＡ Ｈａｏ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎ＠ｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｌｏｗ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ，ｌａｒｇｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｓｍａｌｌ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｇａｉｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ—ｆｅｄ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｗｉｔｈ ｉｎｐｕｔ ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｓｅｒｉｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｌｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ＺＶＳ ａｔ ｔｈｅ ｔｕｒｎ－ｏｎ ｉｎｓｔｎｔ ａｎｄ ｉｔａｓ ｃｏｎｔｏｌｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｉｍｐｌｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ，ｅｘｐａｎｄｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅｓ ｈｅ ｏｕｔｐｕｔｔ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｔｕｒｎ ｒａｔｉｏ，ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｒｅｃｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎ・ ｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ａ １ Ｖ－ｉｎｐｕｔ ４８ Ｖ－ｏｕｔｐｕｔ ２００ Ｗ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．ｈｅ Ｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｗｉｔｈ ｉｎｐｕｔ ｏｆ ｌｏｗ・－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｌａｒｇｅ・－ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃａｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ；ｃｕｒｒｅｎｔ—ｆｅｄ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ １ 引 言 如今，在光伏发电、ＵＰＳ和能馈电子负载等很 多应用场合，由于要并网运行，因此均需要将较低 的直流电压升至３８０ Ｖ或７００ Ｖ．再通过逆变器 变换为工频交流电。高增益、高效率直流升压变换 器在这些系统中有广泛应用。此处能馈电子负载 计制作了一台１ Ｖ输入、４８ Ｖ输出２００ Ｗ的样 机，实验结果满足能馈电子负载的要求，并验证了 该变换器的优良性能。 ２基本原理 图１示出ＰＩＳＯ有源箝位电流型半桥变换器 主电路，其中ＶＳ 一ＶＳ 为主开关管，ＶＳ 。一ＶＳ 为箝 位开关管，ｃｃ。，Ｃ以为箝位电容，ＶＳ。～ＶＳ 占空比的 相位分别为０。，１８０。，９０。，２７０。。单组有源箝位电 流型半桥电路的工作原理此处不再阐述。下面主 要求输入电压Ｉ Ｖ，输出电压４８ Ｖ，满载输入电流 ２００ Ａ，满载输入电流纹波小于３％，很多高增益直 流升压变换器难以满足要求，如移相全桥电路、电 流型推挽电路、增加了倍压单元的Ｂｏｏｓｔ电路等均 存在一定缺点［１－３】。故这里给出了ＰＩＳＯ有源筘位 电流型半桥电路，两相交错并联进一步减小输入 电流纹波，输出串联可实现输出电压倍压，输入电 流闭环控制可实现输入恒流和两相电路均流。设 要分析该电路总的输入输出波形。 十磊 Ｃｉ “ ｃａＩ曲 ＶＤＧａ２ 定稿日期：２０１１—０９—０５ 作者简介：韩晓明（１９８７一），男，陕西渭南人，硕士研究生，研 究方向为能馈电子负载中低压大电流输入高增益变换器。 １８ 图１ ＰＩＳＯ有源箝位电流型半桥变换器主电路 输入并联输出串联有源箝位电流型半桥研究 该变换器的电压增益为： ＝——————— ：：：：＝一（１一Ｄ）ｎ１２＋ｘ／（１一Ｄ）ｚｎ２／４＋Ｆ （１） 式中：Ｆ＝Ｌ ／（ ），Ｌ 为变压器漏感， 为开关周期，Ｒ为 负载电阻；ｒｔ为变压器初次级匝比；Ｄ为主开关管占空比。 在此处实验中，变压器初级仅有一匝，变压器 漏感可控制得很小，Ｌ 《 ，Ｆ可以忽略，因此 可简化为： ＝ （２） 电路输入电流 的波形如图２所示。电感电 流 。的电流纹波峰峰值Ａｉ ＝Ｕ￣Ｔ／Ｌ。。ｉ 由４路 电感电流交错并联而成，且运行时占空比在０．２～ ０．８之间，所以ｉ 的纹波峰峰值△ ＜０．２６８Ａｉｍｉ 为 ４路电感电流之和，增大了变换器输入电流容量。 每个电感流过总电流的１／４，且电感电流纹波大于 ｉ 纹波的３．７３倍，在输入电流有效值和纹波峰峰 值一定的情况下，减小了电感的感值和电流容量． 从而减小了电感的体积和损耗。 —— 『＿］ ｒ－＿— —］闹阿 Ｉｌ ＶＳａ２ ＩＩ ＶＳ２： ｌｌ ＶＳ ２ｌｌ ｊ：ＶＳ２ ｌｌ‘ ： －ｉｉｌ Ｖｓ３： Ｖ ｌ Ｖｓ ｌ ｖｓ 厂■ ■］ Ｉ ＶＳ４ ‘ 善≤≥ 一 嚣＝｛／≤ ｌ 商 臻警 矗 黻 ： 嚣豁 ｆ ＿： ～ 蠢； ｆ 、 ． ＼ 八 ＼ ， 羧 ；羧 ｉ 图２主要波形图 输出电容Ｃ 和Ｃ２串联，使输出电压实现了 倍压，增大了变换器的升压比，使变换器实现高增 益变得容易。同时，整流桥二极管的电压应力降为 Ｗ２，可选择小耐压的二极管，相同电流容量下耐 压小的二极管在性能和价格上优于耐压大的二极 管，可以减小电路损耗和成本。 ＶＳ。关断时，由于死区，ＶＳ ，还未开通，其寄生 体二极管ＶＤ 。正向导通，主开关管的漏源极电压 被箝位为箝位电容电压。实际电路中，由于线路寄 生电感、开关管寄生电感和电容寄生电感的存在． 主开关管关断时的漏源极电压尖峰会高于箝位电 容电压，但维持在一个合理的电压范围内。相比硬 开关的情况，可以有效减小开关管的电压应力。 ３ 参数设计及讨论 ３．１变压器匝比的确定 由电压增益公式推出，变压器初、次级匝比为： Ｎ＝Ｉ／ｎ＝Ｍ（１ ）／２， Ｍ＝Ｕｏ／Ｕ￣ （３） 由Ⅳ计算式可知。该变压器』、ｒ值为电流型半 桥的一半，可有效减小变压器体积。输入电压Ｕｍ＝ １ Ｖ，输出电压Ｕｏ＝４８ Ｖ，稳态运行时，设定Ｄ＝ ０．６５，代入式（３），得Ｎ＝８．４。实验电路中，为将变 换器满载时的Ｄ控制为合理的值，选取Ⅳ＝１５。 ３．２变压器漏感设计 为获得主开关管的零电压开通。变压器漏感 必须足够大才能在主开关管开通前将其漏源极间 电容上的电荷抽走，使其达到零电压，并将箝位开 关管的漏源极充电至箝位电容电压 。因此： 。 ｐ２≥（ ＋ 。） ： ≥ 』ｌ （４） 实验电路输入电流很大，故 。很大，所需要 的漏感很小就可满足开关管零电压开通。 ３．３功率器件的选择 主开关管和辅助开关管的电压应力均为 ， 。＝Ｉｔｕｏ，主开关管的电流应力为２ ｍ箝位开关管 的电流应力为ｉ 变压器次级二极管的电压应力为 ２。设变换器效率为叼，根据功率守恒： ＝ ，由电路工作原理知，流过每只二极管的电流有 效值为 ４，故二极管电流应力为： （４ ） （５） ４变压器次级整流方式分析 变压器次级通常有全波整流和桥式整流两种 整流方式。原理图如图３所示。 （ａ）全坡整流 （ｂ）桥式整沉 图３ 变压器次级两种整流方式 结合该能馈电子负载系统的要求，选择桥式 整流。主要原因是：①变换器所需变压器初次级匝 比为１：１５。由于次级匝数较多，在变压器窗口截面 积中占了很大比例，如果采用全波整流，次级的匝 数会加倍，这样将需要更大的磁芯来绕制，极大地 增加了变压器的体积；②桥式整流二极管的电压 应力为２４ ｖ．选择桥式整流。便可选择更小耐压的 肖特基二极管，降低单只二极管的导通压降和成 本；③该实验软开关的实现所需的变压器漏感很 小，漏感大会引起大电压尖峰和损耗，不带中心抽 头的变压器漏感可做得更小。 １９ 第４６卷第２期 ２０１２年２月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１２ ５输入电流恒流控制 能馈电子负载要求恒流输入。故需对变换器 进行输入电流闭环控制。当有源箝位电流型半桥 电路两个桥臂参数差异不大时．两个电感电流均 流性能良好．因此对于ＰＩＳＯ有源箝位电流型半桥 电路，仅需对ｉｍ和 进行电流闭环控制，使得 。 ＝ｉｔ３４＝ｌｉＪ２，便可达到总输入电流 的恒流控制 和各个电感电流均流。 该电路输入电流波形与Ｂｏｏｓｔ电路相似，故可 等效成Ｂｏｏｓｔ电路进行建模，如图４所示。 图４ ＰＩＳＯ有源筘位板半桥型变换器等效模型 Ｉ ４中 ： ｉｎ， ｅｑ＝ Ｌ１２，Ｌｅｑ＝ 】／２，Ｃ．ｑ＝Ｎ２Ｃ１，Ｒｅｑ＝ 尺／ ，‰＝ｕｏ／Ｎ，开关频率厶＝２ｆ．，Ｄ ＝２Ｄ一１，控制 至电感电流的传递函数为： Ｇｉｄ㈩＝ ㈤ 代入实验电路各参数，采用ＰＩ补偿网络，根 据所需的闭环增益和相位裕量，可求出实验电路 所需的ＰＩ参数。 ６ 仿真结果 为验证理论分析。使用Ｍａｔｌａｂ进行了电路仿 真。仿真参数如下：电路输入电压１ Ｖ。输出电压 ４８ Ｖ，输入电流２００ Ａ，开关频率５０ ｋＨｚ，电感为 ０．７ ｔｘＨ，变压器初级１匝，次级１５匝，漏感为６０ ｎＨ， 输入电容４７０ ＩｘＦ，输出电容１．３６ ｍＦ。 Ｍａｆｌａｂ仿真结果如图５所示。图中ａ—ｄ分别 为电感电流ｉＬｌ￣ｉｕ的纹波波形，ｅ为 的纹波波 形，可见ｉ 的频率为电感电流的４倍，纹波峰峰值 小于电感电流的１／４，各路电感电流平均值相等。 实现了输入均流，验证了上述理论分析。 ｔ／ｍｓ 图５ Ｍａｔｌａｂ仿真波形 ７ 实验结果 基于上述研究进行实验。制作了一台２００ Ｗ实 验样机，输入电压为１ Ｖ，输出电压为４８ Ｖ，输入 电流为２００ Ａ．开关频率５０ ｋＨｚ．ＤＳＰ控制器采用 ｄｓＰＩＣ３３ＦＪ１６ＧＳ５０４。实验参数如下：主开关管和箝 位开关管为ＩＰＰ０１５Ｎ０４Ｎ。二极管为肖特基二极管 ＤＳＳＫ８０—００４５Ｂ，箝位电容为ＭＫＰ１０—１５ｔｚＦ。实验 测得变换器最高效率为８２．７％，满载效率为６１．８％。 满载实验波形如图６所示。可见，主开关管和箝 位开关管在满载时均实现了零电压开通。由图６ｃ 可见， 的频率为开关频率的４倍，与仿真和理论 分析相吻合。图６ｄ中，输入电流和输出电压波形 表明变换器稳态运行良好，两者纹波峰峰值均满 足能馈电子负载要求。 Ｉ； Ｉ｛ｌ ｌ Ｉ ｌ｝玉．．、 Ｉ“ ｌ ｌ ｌ｝ 、 ｓ１ ｌ Ｉ＼Ｉ ｊ—— ＼ 。。 《 ＝＝茸Ｌ～ 一 ， Ｉ Ｌ ｌ ｉ 卜 愕、 Ｉ罾 ｌ ｌｌｌ｛｛一望¨ｉ… ｌ ｌ，／（１ ／格） ｒ／（１ ／格） （ａ）ＶＳ．驱动及漏源电压 （ｂ）ＶＳ １驱动及漏源电艇 ｝ ｊ 一赡 吐 ｝ Ｉｔ ｊ 警； ｉ ｌ ｊ ＾ ｛ ｌ ２ 十Ｈ Ｌｊ ｌ －－４ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉｆ ｛ ｔ／（５ ｌｌＳ／格 ｔｔ（１ ｏ ｌａｓ／格） （ｃ）ｆＬ纹波，￣ＩＩＶＳＩ驱动 （ｄ）输入电流和输Ｈ｛电压波形 图６实验波形 ８ 结 论 理论分析和实验结果表明。输入并联输出串 联有源箝位电流型半桥电路减小了变压器和电感 的体积，减小了输入电流纹波，实现了输入电流恒 流控制和电感电流均流，并实现了高增益和较高 的效率。很好的满足了能馈电子负载对于低压大 电流输入高增益变换器的要求。 参考文献 【１］Ｃ Ｌ Ｃｈｕ，Ｃ Ｈ Ｌｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｃｕｒｒｅｎｔ—ｆｅｄ Ｚｅｒｏ－－ｖｏｌｔａｇｅ・・ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｚｅｒｏ・－ｃｕｒｒｅｎｔ・・ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＣＬ－－ ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｕｓｈ—ｐｕｌｌ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＴ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃ— ｔｒｏｎ．，２００９，２（４）：４５６－４６５． ［２］ Ｍａｒｃｏｓ Ｐｒｕｄｅｎｔｅ，Ｌｕｃｉａｎｏ Ｌ Ｐｆｉｔｓｃｈｅｒ，Ｇｕｓｔａｖｏ Ｅｍｍｅｎ－ ｄｏｅｒｆｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｃｅｌｌｓ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｎｏｎ— Ｉｓｏｌａｔｅｄ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓ，２００８，２３（２）：８７１－８８７． 【３］Ｐｅｔｅｒ Ｊ ｗｏｌｆ．Ａ Ｃｕｒｒｅｎｔ—ｓｏｕｒｃｅｄ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｖｉａ ｔｈｅ Ｄｕａｌｉｔｙ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅａｅ￣． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｃｔｒｉａ１ Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓ，１９９３，４０（１）：１３９－ 】４４．
