大功率储能型有源箝位反激变换器的研究
t8~t9：这个模态期间，S2的体二极管反向截止，副边电流给输出电容Cr2充电。
t9~t0：t0时刻，输出电容Cr2两端电压被充电至Uc2，辅助开关管S4的体二极管导通，继续给电感Lr2续流，在ir2电流变为0之前开通，都可实现开关管S4的的零电压开通。之后开始重复t0时刻开关周期工作。
2 主要电路参数设计
2.1 零电压开通条件
要实现开关管S1的零电压开通，必须使其在t6~t7之间开通。在t7时刻，电感Lr1的电流变向，重新给Cr1进行充电，S1的DS电压不再为0。因此，开关管S3关断和S1开通之间的最佳延迟时间为谐振电感Lr1和谐振电容Cr1谐振周期的四分之一，因此需要满足关系式：
(3)
此外，在开关管S3关断时刻(t5时刻)电感Lr1的存储能量必须足够大，能够存储Cr1上电荷的完全释放能量，因此，在该时刻满足以下能量关系：
，其中，
。当电感Lr1在S3关断时刻没有存储足够的能量，只能一定程度上降低S1的开通损耗。
2.2 参数设计
2.2.1 主要技术设计指标
本有源箝位反激变换器的设计目标，如表1所示。
2.2.2 变压器的参数设计
变压器在有源箝位反激变换器中充当传输能量的元件，其设计思路和一般反激变换器设计思路一致。输入电压越低，占空比越大，峰值电感电流越大，所要求的励磁电感也越大，所以应在最小输入电压的条件下设计变压器的各项参数。
(1)磁芯材料
参照设计规格中的额定功率和开关频率，本次设计选用PC40磁材，该材料的主要参数如表2所示。
(2)磁芯尺寸
采用面积乘法(AP)确定磁芯尺寸[5,6]，所谓的面积乘法，该变压器的设计容量为：
(4)
式中，Ae为磁芯有效面积;Aw为可绕导线窗口面积;η为电路效率;Js为导线的电流密度，选取4A/mm2;Km为窗口填充系数，Km=0.2~0.3，此处选取0.25;Kf为波形系数，选取Kf=4。
根据计算结果，选取EE60磁芯，其参数如表3所示。该磁芯Ap>Apmin，故满足要求。
(3)初级绕组匝数
初级绕组的计算公式为：
带入已知参数，可得
，取整后，最终初级绕组匝数Np为24t。
(4)次级绕组匝数
次级绕组的计算公式为：
式中，UD为二极管压降，一般选取UD=0.7。将已知参数带入，求得
，取整，次级匝数Ns为4t。
2.2.3 电路参数设计
(1)占空比
在变压器的原、副边交替互补导通的情况下，只存在电流连续模式。在连续模式中，根据伏秒平衡得式(5)，联立式(5)和式(6)即可得出正向工作时的占空比取值范围为0.37～0.49。
(3)原边串联电感Lr1
根据2.1提到的零电压开通条件可知，电感Lr1的存储能量必须足够大，能够存储电容Cr1释放的能量，所以满足式(8)，同理可求副边串联电感Lr2。
3 工作波形仿真与实验
3.1 工作波形仿真
本文使用PSIM软件，对所设计的有源箝位双向反激变化器进行仿真实验，仿真参数见表1。此外，变压器采用EE60磁芯，原边电感Lm=350μH，变压器匝数比N=6：1，原副边谐振电感为Lr1=30μH、Lr2=0.1μH，原副边箝位电容为Cc1=0.22μF 、Cc2=6.6μF 。通过仿真，得到正向传递时的工作波形，如图3所示。仿真结果与理论分析基本保持一致。
3.2 实验结果
结合上述分析，研制了实验样机，如图4所示。
(1)电路工作在满载情况时
蓄电池端充、放电的电流波形如图5所示。在图5中，IS2为蓄电池上的充电电流，通过霍尔传感器转化成电压形式，测量电压1V则相当于此时产生电流为20A。由图可知，蓄电池上的电流为25A。图5a为反激变换器初级侧电流，该变换器工作在连续模式下，并在开关管开通和关断瞬间，电流产生波动。图5b为工作在充电过程中(正方向)，流经蓄电池的电流随开关管动作的变化，图5c为放电过程中的变化。当开关管开通或关断的瞬间，开关的切换会对高压探头表笔产生干扰，蓄电池充电电流出现波动起伏，呈衰减趋势，逐渐趋于稳定状态。
(2)软开关的实现
如图6所示，US1为主开关管S1的驱动电压，UDS为S1的DS电压。US2为主开关管S2的驱动电压，UDS为S2的DS电压。在S1、S2的开通信号到来之前，开关管DS之间的电压下降至零附近，开关管开通的电压基本没有波动，说明在满载情况下，很好地实现了ZVS。
4 结论
为研究适用于大功率储能型逆变器的DC-DC变换器的工作过程，对双向有源箝位反激变化器的拓扑结构与工作原理进行了详细分析。在普通双向反激变换器的基础上，增加有源箝位电路能够充分利用漏感能量，能够降低功率开关管的电压应力和损耗。本文通过仿真和实验验证了该有源箝位反激变换器的工作过程理论分析的正确性以及实现软开关的可行性，能够适用于大功率场合。
参考文献：
[1]Md.Masihuzzaman, N.Lakshminrasamma, V.Ramanarayanan. Steady-state stability of current mode active-clamp ZVS DC-D
有源箝位 DC-DC 反激变换器 20170203 相关文章：
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