目前并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)上大多采用工頻隔離型并網(wǎng)逆變器,，由于工頻變壓器會(huì)使系統(tǒng)效率變低、體積大,、成本高等缺點(diǎn),，近年來(lái)，高頻隔離型并網(wǎng)逆變器也逐漸成為研究熱點(diǎn);但是逆變器的高頻化會(huì)帶來(lái)高電磁干擾(EMI)和高開關(guān)損耗,，同時(shí)考慮到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為大功率系統(tǒng)的應(yīng)用,，因此移相全橋軟開關(guān)變換器(FB-ZVZCS)很適用于光伏并網(wǎng)中的DC/DC環(huán)節(jié)。
現(xiàn)階段,，實(shí)現(xiàn)FB-ZVZCS的方法有很多,，主要有滯后橋臂串阻塞二極管、原邊串飽和電抗器，副邊有源鉗位等等;文獻(xiàn)提出了一種副邊無(wú)源鉗位的ZVZCS變換器,，本文結(jié)合光伏逆變器的特點(diǎn)并從電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、占空比丟失小、副邊整流二極管寄生振蕩小,、效率高的角度出發(fā),，采用無(wú)源鉗位的ZVZCS變換器作為光伏升壓移相全橋DC/DC變換器。
1 原理分析及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件
1.1 原理分析
圖1為無(wú)源鉗位的ZVZCS全橋變換器,，該電路中超前橋臂通過(guò)并聯(lián)在兩個(gè)開關(guān)管V1和V3上電容的C1和C3來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),。而實(shí)現(xiàn)滯后橋臂零電流開關(guān)，是在續(xù)流期間通過(guò)鉗位電容Cc上的電壓反射到漏感Lr上,，使得原邊電流迅速下降來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。
為簡(jiǎn)化電路分析，先作如下假設(shè)：所有元件都是理想的;輸出濾波電容很大,，可近似為電壓源,，輸出濾波電感很大，可近似為電流源;電容C1=C3=Cr,，變壓器匝數(shù)比為N1/N2=1/k,，輸入電壓為Uin，輸出電壓為U0.在半個(gè)周期中,，變換器一共有8種工作狀態(tài),，各階段主要波形如圖2所示;
模式1[t0~t1]
t0時(shí)刻，V1開通,，由于變壓器漏感Lr的存在,，原邊電流不會(huì)發(fā)生突變，V4零電流開通,，如圖2所示,。電壓Uin作用于漏感Lr，原邊電流Ip為：
模式2[t1~t2]
t1時(shí)刻,，整流二極管VD2,、VD3反向關(guān)斷，VD2,、VD3兩端的反壓等于U0,，無(wú)源鉗位電路開始工作，通過(guò)Cc和D2給Cf充電,，鉗位電容Cc兩端電壓升高,。這段時(shí)間內(nèi)有：
模式3[t2~t3]
t2時(shí)刻，二極管D2關(guān)斷,，整流二極管VD2和VD3承受nUin電壓,，原邊電流nI0,，在這段時(shí)間內(nèi)，變換器經(jīng)變壓器向負(fù)載提供能量,，Cc上電壓充至UCc(t2)=Uin-U0/2n并保持不變,。
模式4[t3~t4]
t3時(shí)刻，V1關(guān)斷,，由于并聯(lián)C1,，V1實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷，電容C1開始充電,，C3開始放電。
模式5[t4~t5]
在t4時(shí)刻,，鉗位二極管D1開始工作,，原邊不足以向副邊提供能量，Cc通過(guò)Lf,、Cf,、D1開始向負(fù)載提供能量，同時(shí)C1繼續(xù)充電,、C3放電至t5時(shí)刻,。
模式6[t5~t6]
t5時(shí)刻，C3放電完畢,，續(xù)流二極管D3開始導(dǎo)通,，為V3實(shí)現(xiàn)零電壓開通提供了條件。V4處于續(xù)流狀態(tài),，此時(shí)原邊電流迅速下降,，負(fù)載電流主要由鉗位電容Cc提供，流過(guò)Cc的電流增大,，在t6時(shí)刻原邊電流減小為零,，此時(shí)Cc的電流值達(dá)到最大。
模式7[t6~t6]
t6時(shí)刻,，原邊電流為零,，負(fù)載電流全部由鉗位電容Cc提供，整流二極管兩端承受的反壓隨鉗位電容Cc的放電下降,。
模式8[t7~t8]
t7時(shí)刻,，鉗位電容Cc中的能量被全部釋放，整流二極管VD1~VD4開始續(xù)流,，變壓器原邊電流為零并且保持,。在t8時(shí)刻關(guān)斷V4，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷并結(jié)束前半個(gè)周期的換流;下一個(gè)時(shí)刻,，V2零電流開通,，開始進(jìn)入下半個(gè)周期的循環(huán),，工作模式和上述分析基本相同。
1.2 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件
1.2.1 超前臂實(shí)覡ZVS條件
為實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),，要求要有足夠的能量來(lái)使得同一橋臂開關(guān)管兩端并聯(lián)的電容充,、放電，從而讓即將開通的開關(guān)管的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通,。所以要實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓開關(guān),，需要在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷之前將電容C1和C3上的電荷抽走。根據(jù)模式4可得到最小死區(qū)時(shí)間,。
Td》(C1+C2)Uin/2nI0 (3)
1.2.2 滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS條件
變壓器漏感Lr的大小是以能實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZCS為前提的,，假設(shè)滯后臂開關(guān)管的開通時(shí)間為ton，要實(shí)現(xiàn)ZCS需要(t1-t0)》ton,，則根據(jù)工作模式1可得：
Lr=Uint/Ip(t)≥Uin(t1-t0)/2nI0≥Uinton/2nI0 (4)
2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)
變換器采用了移相控制,，超前臂兩開關(guān)管互補(bǔ)180°導(dǎo)通，兩開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間設(shè)置一定死區(qū),，滯后臂設(shè)置與超前臂相同,，只是在相位上有一定的滯后，滯后角度反映了有效占空比的大小,。設(shè)計(jì)步驟如下：
(1)設(shè)置兩對(duì)橋臂的死區(qū)時(shí)間Td;
(2)設(shè)置占空比D,，計(jì)算匝比k;
(3)根據(jù)式(1)算出諧振電感Lr，根據(jù)式(2)求出鉗位電容Cc;
3 仿真研究
為了檢驗(yàn)上述分析,，采用matlab仿真軟件對(duì)無(wú)源鉗位的ZVZCS全橋變換器進(jìn)行開環(huán)仿真(如圖3所示),，根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)電路參數(shù)為：輸入電壓Uin=36V,，輸出Uo=400V,，輸出功率Po=1000W，移相角30°,，開關(guān)管頻率fs=20kHz,，輸出濾波電容Cf=100 μF，輸出濾波電感Lf=3mH,，超前橋臂開關(guān)管并聯(lián)電容C1=C3=0.2 μF,，輸入濾波電容Cin=1000μF，諧振電感Lr=0.36 μH,，鉗位電容Cc=100nF,，仿真結(jié)果如下：
圖3為超前臂G1的管壓降和驅(qū)動(dòng)波形;在G1導(dǎo)通之前VDS1下降為零，在G1關(guān)斷之前,，VDS1保持為零,，因此超前臂實(shí)現(xiàn)了ZVS.圖4為滯后臂G3的驅(qū)動(dòng)電壓和流過(guò)G3電流波形;在G3開通之前，Ip電流保持為0,，在G3關(guān)斷之前Ip電流下降為0,，滯后臂實(shí)現(xiàn)了ZCS.圖5為變壓器原,、副邊的電壓波形;原邊與副邊的占空比存在差異，副邊電壓上升比原邊電壓上升略微滯后,，這是由變壓器原邊漏感Lr造成的;而在電壓下降時(shí)副邊電壓也滯后于原邊電壓,，這是由無(wú)源鉗位電路所造成;總體來(lái)看，較傳統(tǒng)的ZVS變換器器占空比丟失有所減小,。圖6是副邊整流二極管電壓,、電流波形，經(jīng)過(guò)計(jì)算二極管電壓尖峰理論值為535V,，實(shí)際副邊尖峰電壓約540V,，二極管電流尖峰理論值5.1A，實(shí)際電流尖峰5.4A較傳統(tǒng)的ZVS變換器尖峰明顯減小,。圖7是負(fù)載R輸出電壓,、電流波形，由仿真圖可以看出,，輸出電壓最終穩(wěn)定在400V左右，輸出電流最終接近2.5A,，輸出功率Po=1000W.
4 結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)介紹了一種無(wú)源鉗位的ZVZCS變換器,，此變換器較好地實(shí)現(xiàn)了超前臂的ZVS、滯后橋臂ZVS,，降低了系統(tǒng)的損耗;且原副邊占空比丟失較傳統(tǒng)的ZVS變換器有所減小,，副邊整流二極管的寄生振蕩基本得到消除;設(shè)計(jì)了一套1kW的參數(shù)，通過(guò)matlab軟件仿真初步驗(yàn)證了此變換器的正確性和可行性,。