摘  要：針對雙向DC／DC變換器存在的開關損耗高等問題，提出了一種新型的隔離型雙向軟開關DC／DC變換器。該變換器由對稱的拓撲結構組成。在電感和變壓器漏感的作用下，變換器中的開關元件能夠在較大的負載范圍內實現零電壓開關。同時在脈寬調制的控制下，二極管實現了零電流關斷。這些措施減小了開關損耗、電壓電流應力以及電磁干擾。分析了工作原理和開關過程，研制了一臺500W的試驗樣機并進行了試驗。試驗結果證明：在輕載和重載的條件下，所有的開關管都能夠零電壓導通，同時二極管能夠在電流為零(ZCS)的情況下自然關斷。
關鍵詞：雙向DC／DC變換器；隔離型軟開關；開關損耗

    隨著功率變換技術的發展，人們對開關電源的性能、重量、體積、效率和可靠性提出了更高的要求，而開關電源的高頻化則是使其滿足上述要求的一個重要手段，特別是其有助于減小電感、變壓器等磁性元件的體積，并改善開關電源的電磁兼容性，因此成為開關電源技術發展的一個重要趨勢。但開關元件的開關損耗限制了工作頻率的進一步提高，成為制約開關電源高頻化的主要因素，所以，開關電源的軟開關技術一直是電力電子技術的一個重要研究方向。而雙向DC／DC變換器是近年來功率變換的又一個研究熱點，它可廣泛地應用于電動汽車、分布式發電系統、智能充放電機等方面，具有廣闊的應用前景。雙向DC／DC變換器不僅可以充當兩個不同電壓等級電氣系統之間的聯系橋梁，還能夠進行能量調節和管理。由于雙向DC／DC變換器具有能量雙向流動的特點，因此與單向DC／DC變換器相比，它的拓撲結構有所不同：通常，雙向DC／DC變換器的變壓器原副邊兩側都采用全控元件，元件較多，因而實現軟開關的難度更大。
    本文將Buc-k／Boost電路與半橋電路相結合，提出了一種對稱結構的隔離型雙向軟開關DC／DC變換器。

1 原理簡介

1．1 能量雙向流動的原理
    新型隔離型雙向軟開關DC／DC變換器的電路結構如圖1所示，變壓器兩側均采用“半橋”結構，同一橋臂的上下兩個功率開關器件S1和S2、S3和S4分別互補導通。當能量由V1側流向V2側時，稱為正向工作模式，此時由S1、S2組成超前橋臂，S3、S4組成滯后橋臂，即S1的觸發脈沖超前于S3的觸發脈沖一定角度(移相角)；反之，當能量由V2側流向V1側時，稱為反向工作模式，相應地，S3、S4組成超前橋臂，S1、S2組成滯后橋臂。以正向工作模式為例，介紹能量的流動過程如下。
    為簡化分析，先假定下列條件：
    1)所有的開關元件都是理想的；
    2)電路工作在穩態；
    3)所有的儲能元件都是無損的。

    從變壓器的原邊觀察，電路類似于Boost電路，通過對S2導通時間(占空比)的調節，可以在a點獲得不同的電壓。同時利用S1和S2的輪流導通，在變壓器原邊得到正負交替的電壓。而對于變壓器副邊，利用S3和S4的反并聯二極管進行整流，把變壓器上的脈沖交流電壓整流成直流，并對電容C3、C4充電。在電容C3、C4足夠大的情況下，電容上的電壓可以認為不變。此時，副邊電路的原理與Buck電路類似。
    能量流動的具體過程如下。
    S2關斷后，變壓器原邊電路類似于Boost電路的放電狀態。電感L1通過Ds1對C1充電，此時S1可以實現零電壓導通。隨著變壓器原邊電流逐漸上升，充電電流減小。當電流減小至零并改變方向時，S1導通，輸入電流iL1流經漏感Lσ1、原邊線圈對C2充電，同時C1通過S1、Lσ1、原邊線圈構成的回路放電。此時，變壓器原邊電壓的極性為上正下負，同時原邊電流ip從同名端流入，電壓與電流為“關聯方向”，因而由V1輸出的能量傳遞到變壓器中。相應地，此時變壓器副邊反并聯二極管DS3處于導通狀態，副邊電流is一部分流經L2、負載(V2側)使C4放電，另一部分通過Ds3對C3充電。變壓器副邊電壓極性為上正下負，is從同名端流出，電壓、電流為“反關聯方向”，因此能量由變壓器傳遞到V2側。
    當原邊S2導通時，由V1、L1、S2組成的回路對L1充電，iL1緩慢上升，同時C2通過變壓器原邊線圈、Lσ1、S2組成的回路放電。變壓器原邊電壓極性為上負下正，且ip從同名端流出。此時副邊Ds4導通，is流經Ds4、副邊線圈對C4充電，同時電感L2通過負載、Ds4放電。變壓器副邊電壓極性為上負下正，is從同名端流入，在此期間V1側輸出能量，V2側輸入能量。

    由于拓撲結構在變壓器兩側完全對稱，因此變換器工作在反向模式時，工作原理以及能量的流動過程與上述過程類似。

1．2 軟開關的實現
    正向工作模式下，一個完整的開關周期中的主要原理波形如圖2所示。在開關元件并聯結電容與并聯電容的作用下，即將關斷的開關元件上的電壓不能發生突變，因此開關元件可以認為在零電壓的情況下關斷。由于同一橋臂上下兩個脈沖之間的間隔很小，利用電感和結電容的諧振，使即將導通的開關元件的結電容放電，當結電容兩端的電壓為零時，反并聯二極管承受正向電壓而導通，從而為開關元件的零電壓導通創造了條件。與移相全橋電路相比，由于變壓器副邊不存在占空比丟失，副邊電感L2參與諧振，因此滯后橋臂也可以在較大負載范圍內實現零電壓導通。與上述開關過程類似，變壓器副邊的S3和S4也是利用各自的反并聯二極管的導通實現零電壓開通，S3和S4的開通主要是為減小反并聯二極管Ds3和Ds4反向恢復引起的損耗以及電磁干擾。以S3為例：反并聯二極管Ds3導通后，S3可以在零電壓的條件下開通，更為重要的是Ds3中的電流會逐漸減少至零，電流轉移到S3中，Ds3實現軟關斷(ZCS)，從而減少了Ds3關斷過程中反向恢復帶來的影響。由于這種拓撲結構的DC／DC變換器在變壓器兩側完全對稱，因此能量雙向流動時的軟開關條件相同。本文中的實驗結果是在負載為電阻的情況下得到