有源钳位在反激式微逆变器中的应用研究

2019-10-17秦晓佳吴义纯陈银于传马娟李冰

中国设备工程 2019年19期

秦晓佳，吴义纯，陈银，于传，马娟，李冰

（1.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥 230051；2.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽合肥 230022；3.阳光电源股份有限公司，安徽合肥 230088）

太阳能微型逆变器的研究成为最近几年人们研究可再生能源的重要装置，专业研究人员都在设法提高微型逆变器的效率。随着功率开关器件的发展，人们在其拓扑结构和变换技术上取得了很大的进步，发展到了相当高的水平；有源钳位电路是在开关电源中常用的一种软开关控制电路，现在被人们更多地应用在对高频电路中开关管的保护上。在本文中，有源钳位电路应用在太阳能微型逆变器的前级升压部分，用以吸收反馈能量和减小开关管的承受的电压应力。

在反激式变换器中，漏感Lr是衡量变压器性能的一项重要指标。变压器的漏感和开关管的结电容谐振，使开关管在截止瞬间产生很高的电压尖峰，容易把开关器件过压击穿，所以在反激式变换器中开关器件往往需要承受很高的电流和电压应力。为了使功率开关器件工作在安全工作区，要将变压器漏感产生感生电势（过电压）限制在允许范围内，本文通过设置有源钳位电路限制变压器漏感产生的尖峰过电压。并通过实验和matlab 仿真验证了有源钳位电路提高转换效率的有效性。

1 反激式DC-DC 电路拓扑结构分析

1.1 无源钳位电路的反激式拓扑结构及分析

钳位电路是将脉冲信号的某一部分固定在指定电压值上，并保持原波形形状不变的电路，分为有源钳位电路和无源钳位电路，下面首先对两种无源钳位电路做一个比较分析。

ZD 钳位电路，对由齐纳二极管的阻断电压指定的开关管电压提供硬钳位，该电路结构简单，易于实现，缺点是钳位电压要由二极管的阻断电压决定，大大限制了抑制不同的尖峰电压。

RCD 钳位电路，其开关管关断后，漏感能量将被转移到钳位电容中，那么开关管两端的电压即被钳位到固定值，从而减小了开关管的电压应力。这种钳位电路优点是结构简单、体积小、成本低，但是变压器激磁电感磁通复位的能量最终转移到了电阻上，继而转化为热能消耗掉，降低了反激式变换器的效率。

1.2 有源钳位电路的反激式拓扑结构及分析

有源钳位电路，是指采用通态电阻较低的MOSFET 来做钳位开关管，主功率开关管和钳位开关管相互配合，当主功率开关管关断时，钳位开关管导通，利用电容吸收尖峰电压。由于钳位开关管MOSFET 导通时的功率损耗很低，能够大大提高反激式变换器的效率，因此，有源钳位电路常用在工作频率较高的反激变换电路中，实际工作中的有源钳位电路如图1 所示。

图1 有源钳位ZVS 反激式变换器电路

2 控制导通与关断的PID 调节器设计

离散的2P2Z 控制器传递函数：

PID 调节器设计如图2 所示。

3 matlab 仿真及实验结果分析

3.1 主功率管电压分析

图2 PID 调节器设计图

图3 是基于matlab/simulink，变换器工作在100KHz时的仿真结果，分别是包含有源钳位和不含有源钳位电路时的电压波形对比图。

图3 包含有源钳位和不含有源钳位电路时的开关管承受的电压波形对比图

从仿真波形中可知，在不含有源钳位电路的反激式变换器中，因开关管关断时电流变换率非常大，变压器漏感会产生一个电压尖峰，而含有源钳位电路的反激式变换器，因主开关电压被钳住，开关管两端承受的电压应力则明显减小。

3.2 功率损耗分析

有源钳位电路损耗中开启、关断过程损耗占MOSFET 功率损耗的比例较大，开通、关断损耗计算公式如（2）、（3）：

式中，Rds(on)为实际结温下的导通电阻，Id为导通时的电流有效值，Ton为一个周期内的导通时间，f 为开关频率，占空比D=Ton×f；VDS为截止时的D～S 的电压，IDSS为截止时的实际结温下的漏电流,toff为一个周期内的截止时间。

matlab/simulink 仿真条件设置输入电压30V，占空比设为0.1，工作频率设为100kHz，负载设为2kΩ，在含有源钳位和不含有源钳位电路两种情况下，主开关管MOSFET 功率损耗波形如图4 所示：

图4 含有源钳位和不含有源钳位MOSFET 功率损耗

从仿真图中可以计算，含有源钳位和不含有源钳位电路情况下，转换效率不同，包含有源钳位电路的转换效率为η=97.3%，不含有源钳位电路的转换效率η=89.7%，由仿真波形看出，包含有源钳位电路的主功率管MOSFET 损耗相对要小，能够有效提高电路效率。根据仿真的结果，在实验平台上进行包含有源钳位的反激式变换电路主开关管MOSFET电压、电流实验，得到的电压电流波形如图5 所示：