高增益软开关Forward-Flyback变换器
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提 出 的 高 增 益 软 开 关 Ｆｏｒ ｗａｒｄ—Ｆｌｙｂａｃｋ变 换 器 如 图 １ａ所 示 。Ｆｏｒ ｗａｒｄ变 换 单 元 和 Ｆｌｙｂａｃｋ变 换 单 元 共 用 一 个 变 压 器 ，在 开 关 管 导 通 和 关 断期 间 ，变 压 器 均 向次 级 提 供 能量 ，提 高 了变 压 器 的利 用 率 。 变 换 器 等 效 电路 如 图 ｌｂ所 示 。
第 ５２卷 第 １１期 ２０１８年 １１月
电 力 电 子 技 术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．５２，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｎ￣ ｅｒ ２０１８
高增益软开关 Ｆｏｒｗａｒｄ．Ｆｌｙｂａｃｋ变换器
彭祥 宇 ，李佳 晨 ， 吕征 宇
（浙 江 大 学 ，电气 工 程 学 院 ，浙 江 杭 州 ３１００２７）
１ 引 言
目前 ，在 电 动汽 车 、燃 料 电池 及 光 伏 发 电系 统 等 领 域 中 ，高 增 益 、高 效 率 ＤＣ／ＤＣ变 换 器 是 研 究 和应 用 的热 点之一 【”。以光 伏发 电系 统为例 ，光 伏组 件 的输 出 电压 通 常较 低 （２Ｏ～５０ Ｖ），需采 用 具 备 高 电压增 益 的直 流变 换 器 升压 。才 能达 到 后 级 并 网逆 变 的母 线 电压 要 求 （３８０～４００ Ｖ）。此 外 ，由于 光 伏 组 件 的能量 转 换 效率 比较低 ，为提 高对 太 阳 能 的利 用 效 率 ．直流 变 换 器 还 要 具 备 较 高 的变 换 效 率 。
关 键 词 ：变 换 器 ；高 增 益 ；软 开 关 ；准 谐 振
中图分类号 ：ＴＭ４６
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０００—１００Ｘ（２０１８）１１－００５７—０３
Ｈｉｇｈ Ｓｔｅｐ－－ｕｐ Ｓｏｆｔ·－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆｏｒｗａｒｄ—－Ｆｌｙｂａｃｋ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＰＥＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｙｕ，ＬＩ Ｊｉａ—ｃｈｅｎ，ＬＵ Ｚｈｅｎｇ—ｙｕ （Ｚｈｅｊ／ａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
摘要 ：提 出一种 基于 Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ拓 扑组合 的高增 益软 开关 直流 变 换器 ，适用 于低 输入 电压 、高 输入 电流
的 电动汽 车 、光 伏发 电系 统等 应用 场合 。Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ变 换单 元 并联输 入 串联 输 出 ，实现 了高增 益变 换 。
变压 器初 级侧在开 关 导通和 关断期 间均 向次 级传递 能量 ，提 高了变 压器 的利用 率 。采 用 了准 谐振 控制 ，减 小 了
变换 器的开 关损耗 。详细 分析 了拓 扑的工 作原 理及控 制方 法 。最 后 ，设 计 了一 台 ２５０ Ｗ 的 实验样机 。实验 结果
验证 了理论 分析 的正确 性 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔ ｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ Ｆｌｙｂａｃｋ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔ ｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｌｌ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｉｎｐｕｔ ｓｅｒ ｉａｌ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ Ｆｏｒ ｗ ａｒｄ ａｎｄ Ｆｌｙｂａｃｋ ｕｎｉｔｓ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｒａ ｎ ｓｆｅｒｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｔ ｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｕｒ ｉｎｇ ｔｕｒｎ－ｏｎ ａ ｎ ｄ ｔｕｒｎ－ｏｆ ｏｆ ｔ ｈｅ
Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ拓 扑 组 合 ．提 出 一种 新 型 高增 益 软 开 关 直 流 变 换 器 。 Ｆｏｒｗａｒｄ—Ｆｌｙｂａｃｋ变 换 单 元 并 联 输 入 串联 输 出 ，实 现 了高 电压 增 益 。同 时采 用 准 谐 振 控 制 【 ，能 实 现 开 关 管 零 电压 （ＺＶＳ）开 通 ，减 小 了变换器损耗 ，提高了效率。 ２ 工 作原 理分 析
ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔ ｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏ ｔｈｅ ｔ ｒａ ｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｑｕａｓｉ－ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ｏｆ
ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔ ｈ ｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｖｏｌｔａｇｅ ｇａｉｎ ｃｈａ ｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ａ ｎ ｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔ ｈｏｄｓ ａ ｒｅ ａ ｎ ａ ｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａ ｌｌｙ， ａ ２５０ Ｗ ＤＣ／ＤＣ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ ｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒ ｉｆｙ ｔ ｈｅ ｔ ｈｅｏｒｅｔ ｉｃａ ｌ ａｎａ ｌｙｓｉｓ． Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ； ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ； ｓｏｆｔ—ｓｗｉ ｔｃｈｉｎｇ； ｑｕａｓｉ－ｒｅｓｏｎａｎｔ
传 统 的 Ｂｏｏｓｔ。Ｆｌｙｂａｃｋ和 推 挽 等 直 流 变 换 器 由 于 受 到 开 关 管 电压应 力 、变 换 效 率 等 因素 制 约 。难 以 实现 高 电压 增 益 ［２－ 。 以反 激 变 换 器 为 例 ，通 过 改 变 反 激 变 压 器 匝 比可 以获 得 高 电压 增 益 ，但 同 时 也 导 致 变 压 器 漏 感 所 占励 磁 电感 比例 增 大 ，这 不 仅 降低 了变 换 效 率 。也 增 大 了开 关 管 电压 应 力 。 为 实 现高 增 益变 换 。可 在 传 统升 压 型 变换 器 中引 入 电压 举 升 、耦合 电感和 串联 输 出等 拓 扑 结 构 。基 于
第 ５２卷 第 １１期 ２０１８年 １１月
电 力 电 子 技 术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．５２，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｎ￣ ｅｒ ２０１８
高增益软开关 Ｆｏｒｗａｒｄ．Ｆｌｙｂａｃｋ变换器
彭祥 宇 ，李佳 晨 ， 吕征 宇
（浙 江 大 学 ，电气 工 程 学 院 ，浙 江 杭 州 ３１００２７）
１ 引 言
目前 ，在 电 动汽 车 、燃 料 电池 及 光 伏 发 电系 统 等 领 域 中 ，高 增 益 、高 效 率 ＤＣ／ＤＣ变 换 器 是 研 究 和应 用 的热 点之一 【”。以光 伏发 电系 统为例 ，光 伏组 件 的输 出 电压 通 常较 低 （２Ｏ～５０ Ｖ），需采 用 具 备 高 电压增 益 的直 流变 换 器 升压 。才 能达 到 后 级 并 网逆 变 的母 线 电压 要 求 （３８０～４００ Ｖ）。此 外 ，由于 光 伏 组 件 的能量 转 换 效率 比较低 ，为提 高对 太 阳 能 的利 用 效 率 ．直流 变 换 器 还 要 具 备 较 高 的变 换 效 率 。
关 键 词 ：变 换 器 ；高 增 益 ；软 开 关 ；准 谐 振
中图分类号 ：ＴＭ４６
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０００—１００Ｘ（２０１８）１１－００５７—０３
Ｈｉｇｈ Ｓｔｅｐ－－ｕｐ Ｓｏｆｔ·－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆｏｒｗａｒｄ—－Ｆｌｙｂａｃｋ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＰＥＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｙｕ，ＬＩ Ｊｉａ—ｃｈｅｎ，ＬＵ Ｚｈｅｎｇ—ｙｕ （Ｚｈｅｊ／ａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
摘要 ：提 出一种 基于 Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ拓 扑组合 的高增 益软 开关 直流 变 换器 ，适用 于低 输入 电压 、高 输入 电流
的 电动汽 车 、光 伏发 电系 统等 应用 场合 。Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ变 换单 元 并联输 入 串联 输 出 ，实现 了高增 益变 换 。
变压 器初 级侧在开 关 导通和 关断期 间均 向次 级传递 能量 ，提 高了变 压器 的利用 率 。采 用 了准 谐振 控制 ，减 小 了
变换 器的开 关损耗 。详细 分析 了拓 扑的工 作原 理及控 制方 法 。最 后 ，设 计 了一 台 ２５０ Ｗ 的 实验样机 。实验 结果
验证 了理论 分析 的正确 性 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔ ｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ Ｆｌｙｂａｃｋ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔ ｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｌｌ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｉｎｐｕｔ ｓｅｒ ｉａｌ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ Ｆｏｒ ｗ ａｒｄ ａｎｄ Ｆｌｙｂａｃｋ ｕｎｉｔｓ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｒａ ｎ ｓｆｅｒｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｔ ｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｕｒ ｉｎｇ ｔｕｒｎ－ｏｎ ａ ｎ ｄ ｔｕｒｎ－ｏｆ ｏｆ ｔ ｈｅ
Ｆｏｒｗａｒｄ与 Ｆｌｙｂａｃｋ拓 扑 组 合 ．提 出 一种 新 型 高增 益 软 开 关 直 流 变 换 器 。 Ｆｏｒｗａｒｄ—Ｆｌｙｂａｃｋ变 换 单 元 并 联 输 入 串联 输 出 ，实 现 了高 电压 增 益 。同 时采 用 准 谐 振 控 制 【 ，能 实 现 开 关 管 零 电压 （ＺＶＳ）开 通 ，减 小 了变换器损耗 ，提高了效率。 ２ 工 作原 理分 析
ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔ ｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏ ｔｈｅ ｔ ｒａ ｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｑｕａｓｉ－ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ｏｆ
ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔ ｈ ｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｖｏｌｔａｇｅ ｇａｉｎ ｃｈａ ｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ａ ｎ ｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔ ｈｏｄｓ ａ ｒｅ ａ ｎ ａ ｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａ ｌｌｙ， ａ ２５０ Ｗ ＤＣ／ＤＣ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ ｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒ ｉｆｙ ｔ ｈｅ ｔ ｈｅｏｒｅｔ ｉｃａ ｌ ａｎａ ｌｙｓｉｓ． Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ； ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ－ｕｐ ； ｓｏｆｔ—ｓｗｉ ｔｃｈｉｎｇ； ｑｕａｓｉ－ｒｅｓｏｎａｎｔ
传 统 的 Ｂｏｏｓｔ。Ｆｌｙｂａｃｋ和 推 挽 等 直 流 变 换 器 由 于 受 到 开 关 管 电压应 力 、变 换 效 率 等 因素 制 约 。难 以 实现 高 电压 增 益 ［２－ 。 以反 激 变 换 器 为 例 ，通 过 改 变 反 激 变 压 器 匝 比可 以获 得 高 电压 增 益 ，但 同 时 也 导 致 变 压 器 漏 感 所 占励 磁 电感 比例 增 大 ，这 不 仅 降低 了变 换 效 率 。也 增 大 了开 关 管 电压 应 力 。 为 实 现高 增 益变 换 。可 在 传 统升 压 型 变换 器 中引 入 电压 举 升 、耦合 电感和 串联 输 出等 拓 扑 结 构 。基 于