基于三半桥拓扑的双向DC/DC变换器软开关条件研究

1 引言

双向DC/DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量传递方向，实现电能双向流动的直流变换器[1]。多端口双向DC/DC变换器使多个电源互连，实现了多级电源之间多个方向的能量传输。三半桥双向DC/DC变换器是一种新型的三端口变换器，它通过磁耦合将不同的电源结合在一起，通过移相控制实现同时或单独向负载供电。该变换器拓扑所具有低压/高电流的输入特性；双向功率流动；开关管数量少，结构简单等优势。三半桥双向DC/DC变换器在正向模式下的工作原理和换流过程与单输入ZVS双半桥DC/DC变换器是相似的，但是其软开关的条件以及影响软开关的因素都和单输入ZVS双半桥DC/DC变换器不同。因此，研究三半桥双向DC/DC变换器的软开关的实现条件是十分有意义的。

2 三半桥变换器的工作原理

隔离型三半桥DC/DC变换器的主电路包含两个输入级组合式升压半桥电路，一个三绕组的高频变压器，以及一个输出级电压型半桥电路。将变压器用其等效模型[2，3]替换，其主电路以原边为参考的等效电路如图1所示。

图1三半桥DC/DC变换器以原边为参考的等效电路

在正向（Boost）模式下，一个完整的开关周期根据状态的不同可以划分成t0～t19共19个工作区间。这里假设t1时刻之前的稳态对应于开关管S1导通，开关管S5和S3的反并联二极管D5, D3因正向偏置而导通。具体模态如下。

⑴　 模态1（t0～t1）

在t1时刻之前，电路达到稳态，S1, D5和D3导通，Vcr2=V1+V2电感Ldcl、Ldc2均在释放能量，两个输入端的电感电流均在线性下降。此阶段电容C1经S1放电，C2充电，电容C5经二极管D5充电，C6放电，原边所提供的功率除传递给负载外，同时给电容C3充电。

⑵　模态2(t1～t2)

t1时刻S1关断，Cr1、Cr2与Tr谐振，Cr1充电，Cr2放电，Vcr2从Vcr2=V1+V2开始降低，Vr12＝Vcr2－V2也因此降低，电容Cr1、Cr2的电压变化率为Vcr2=（V1+V2）－Vr1， 时刻Vcr2由0开始变负时，D2开始因正偏而导通。原边电流ir56在正向电压作用下线性增加，并且由负变正。

⑶　模态3 (t2～t3)

t2时刻D2导通，将S2的端电压箝位在0，此模态下任一时刻内给S2加驱动信号，即可实现S2的零电压(ZVS)开通。原边电流ir12线性降低，ir56继续增加直至t3时刻。

⑷　模态4(t3～t4)

t3时刻，当原边电流ir56大于输入电感电流idc2时，开关管S5导通，原边电流ir56继续增加，ir12则继续降低，直到t4时刻ir12=idcl 。

⑸　模态5(t4～t5)

t4时刻，当原边电流ir12小于输入电感电流idcl时，开关管S2导通。在这一阶段，ir12继续下降至反向变负。

⑹　模态6(t5～t6)

t5时刻S5关断，Cr5、Cr6与变压器Tr漏感谐振。Cr5充电，其电压不断升高，Cr6放电，其电压不断降低。电压变化率主要与t5时刻原边电流值ir56(t5)有关。t6时刻Ｖcr6由0开始变负时，D6开始因正偏而导通。原边电流ir12继续下降，ir56在负电压作用下开始降低，副边电流ir34= ir12+ir56也因此而线性下降。

⑺　模态7(t6~t7)

t6时刻D6导通，将S6的端电压箝位在0。此模态下任一时刻内给S6加驱动信号，即可实现S6的零电压(ZVS)开通。副边电流ir34继续降低。

⑻　模态8(t7～t8)

t7时刻，副边电流ir34反向为负，电流由D3换流到S3中，D3阻断，S3导通。原边电流ir56继续降低，直到t8时刻ir56= idc2。

⑼ 模态9（t8～t9）

t8时刻，当原边电流ir56小于输入电感电流idc2时，开关管S6导通。

⑽　模态10(t9～t10)

t9时刻S3关断，Cr3、Cr4与变压器Tr漏感谐振，Cr3充电，Cr4放电，充放电电压变化率与t9时刻的副边电流值ir34(t9)有关。t10时刻Ｖcr4由0开始变负时，D4因正偏而导通。原边电流ir56持续降低，并开始反向变负。

⑾　模态11（t10～t11）

t10时刻D4导通，将S4的端电压箝位在0。此模态下任一时刻内给S4加驱动信号，即可实现S4的零电压(ZVS)开通。

⑿　模态12(t11～t12)

t11时刻S2关断，Cr1、Cr2与变压器Tr漏感谐振，Cr2充电，其电压不断升高，Cr1放电，其电压不断降低，电压变化率主要与t11时刻原边电流值ir12(t11)有关。t12时刻
Ｖcr1由0开始变负时，D1开始因正偏而导通。

⒀　模态13(t12～t13)

t12时刻D1导通，将S1的端电压箝位在0，此模态下任一时刻内给S1加驱动信号，即可实现S1的ZVS开通。原边电流ir12在正向电压的作用下线性增长，并开始由负过0变正。

⒁ 模态14(t13～t14)

t13时刻S6关断，Cr5、Cr6与变压器Tr漏感谐振，Cr6充电，Cr5放电，电压变化率主要与t13时刻原边电流值ir56(t13)有关。t14时刻Vcr5由0开始变负时，D5开始因正偏而导通。

⒂　模态15(t14～t15)

t14时刻Vcr5＝0，D5正偏导通，将S5端电压箝位在0。原边电流ir12继