基于光伏儲能系統(tǒng)的軟開關(guān)Buck變換器設(shè)計*

薛佃旭，蘇建徽，張 健，徐海波

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.東莞南方半導(dǎo)體科技有限公司，廣東 東莞 523808)

0 引 言

光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，受到人們越來越多的重視并得到了廣泛的研究[1]。大型光伏儲能系統(tǒng)太陽能電池板常串聯(lián)使用，輸出電壓較高，常使用Buck變換器降壓后為儲能電池充電。然而，隨著開關(guān)頻率的提高，工作在硬開關(guān)脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)方式下的Buck變換器的開關(guān)損耗急劇增加，嚴(yán)重影響變換器的效率和功率密度[2,3]。采用軟開關(guān)技術(shù)可以在提升變換器工作頻率的同時保證變換器的效率，從而大大提升變換器的功率密度。在眾多軟開關(guān)技術(shù)中，零電壓轉(zhuǎn)換(zero-voltage transition,ZVT)和零電流轉(zhuǎn)換(zero current transition,ZCT)軟開關(guān)變換器優(yōu)勢明顯[4～6]。零轉(zhuǎn)換PWM電路將諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，使用輔助開關(guān)控制諧振的開始，電路在很寬的輸入電壓范圍和輸出負(fù)載變化范圍內(nèi)均可實現(xiàn)軟開關(guān)[7,8]。

本文將一種由新型有源緩沖電路組成的ZVT單元引入Buck變換器中，設(shè)計了一種應(yīng)用于光伏儲能系統(tǒng)的軟開關(guān)Buck變換器,并進(jìn)行了仿真與實驗驗證。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

新型軟開關(guān)Buck電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，開關(guān)S1，二極管D1，電感L1和電容C1構(gòu)成了Buck變換器的主要結(jié)構(gòu)。由開關(guān)S2，電感L2，電容C2以及二極管D2，D3，D4組成的有源緩沖電路構(gòu)成新型ZVT單元。開關(guān)管S1和S2的寄生電容分別由Coss1和Coss2表示。

圖1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了簡化電路的穩(wěn)態(tài)分析過程，現(xiàn)做假設(shè)：1)輸入電源電壓Vin無脈動；2)電感L1電流IO無脈動；3)所有的無源器件視為理想器件。

變換器在一個工作周期內(nèi)的詳細(xì)工作原理分析如下：

模態(tài)1[t0-t1]：t1時刻前，主開關(guān)和緩沖開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)，電路工作在正常關(guān)斷狀態(tài)，主二極管D1導(dǎo)通，與傳統(tǒng)Buck電路主開關(guān)斷開時的工作狀態(tài)一樣。

模態(tài)2[t1-t2]：t1時刻，緩沖開關(guān)S2導(dǎo)通，緩沖電感L2的電流iL2線性增加，上升斜率為Vin/L2。由于開關(guān)S2和L2串聯(lián)，因此其在t1時刻以ZCS狀態(tài)導(dǎo)通。t2時刻，L2的電流iL2等于IO，流過二極管D1的電流為零，D1以ZCS狀態(tài)關(guān)斷，模態(tài)2結(jié)束。

模態(tài)3[t2-t3]：t2時刻，二極管D1關(guān)斷，L2，Coss1開始諧振，在此階段，電感L2由主開關(guān)管寄生電容Coss1充電，Coss1儲存的能量將全部轉(zhuǎn)移到L2，Coss1電壓減小到零，模態(tài)3結(jié)束。

模態(tài)4[t3-t4]：t3時刻，主開關(guān)S1的體二極管導(dǎo)通，S1和L2的電壓被鉗位為0，主開關(guān)管S1將以ZVS導(dǎo)通，iL2保持在IL2_peak。此時流過S1的體二極管的電流為IL2_peak-IO。

模態(tài)5[t4-t5]：t4時刻，同時施加主開關(guān)管S1的導(dǎo)通信號和緩沖開關(guān)S2的關(guān)斷信號，S1以ZVS狀態(tài)導(dǎo)通、S2以ZVS狀態(tài)關(guān)斷。S2關(guān)斷后，二極管D3導(dǎo)通，C2,Coss2和L2開始諧振，直至Coss2和C2的電壓達(dá)到輸入電壓Vin，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6[t5-t6]：t5時刻，二極管D4導(dǎo)通，儲存在電感L2中的能量回饋到輸入端。t6時刻，電流iL2減小到零，D2,D3,D4以ZCS狀態(tài)關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)7[t6-t7]：t6時刻，Coss2和L2開始諧振，Coss2放電。由于C2?Coss2，在此諧振期間可以認(rèn)為Vc2是不變的。當(dāng)Coss2的電壓等于零時，L2的電流達(dá)到最小值IL2_min，此狀態(tài)結(jié)束。

模態(tài)8[t7-t8]：t7時刻，輔助開關(guān)S2的體二極管導(dǎo)通。L2和C2開始諧振，當(dāng)L2的電流等于零時此模態(tài)結(jié)束。諧振期間，緩沖電容C2減小的電壓值為ΔVC2，可由式(1)計算得出

(1)

模態(tài)9[t8-t9]：此模態(tài)運(yùn)行期間，流過主開關(guān)管S1的電流為負(fù)載電流IO，緩沖電路的所有半導(dǎo)體器件全部處于關(guān)斷狀態(tài)。變換器與傳統(tǒng)Buck變換器運(yùn)行在主開關(guān)開通時的狀態(tài)一樣。

模態(tài)10[t9-t10]：t9時刻，主開關(guān)S1關(guān)斷，二極管D1,輔助二極管D2仍處于反偏關(guān)斷狀態(tài)。電流IO為主開關(guān)S1的寄生電容Coss1充電至ΔVC2。由式(1)可以看出ΔVC2的值非常小，遠(yuǎn)小于輸入電壓Vin，因此主開關(guān)S1近似為ZVS關(guān)斷。

模態(tài)11[t10-t11]：t10時刻，二極管D2,D4導(dǎo)通。緩沖電容C2開始由負(fù)載電流IO放電，主開關(guān)S1的寄生電容Coss1在此階段繼續(xù)充電直至達(dá)到輸入電壓Vin，同時，一少部分能量為輔助開關(guān)管S2的寄生電容Coss2充電。當(dāng)開關(guān)管兩端電壓達(dá)到輸入電壓Vin時，緩沖電容C2兩端電壓減小到0，二極管D2,D4關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束，二極管D1導(dǎo)通，下一開關(guān)周期開始。圖2為變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的11個工作模態(tài)的等效電路，對應(yīng)的波形如圖3所示，電路中器件的電流方向按照圖1箭頭所示。

圖2 電路各模態(tài)等效電路

圖3 電路各模態(tài)波形

2 電路參數(shù)設(shè)計

有源緩沖電路作為ZVT單元，主要用來對電路開關(guān)器件進(jìn)行軟開關(guān)操作，是本文電路拓?fù)涞年P(guān)鍵部分。由于Buck主電路結(jié)構(gòu)簡單，因此本文主要對ZVT單元進(jìn)行設(shè)計和計算，包括輔助開關(guān)管S2的導(dǎo)通時間、緩沖電感、緩沖電容的設(shè)計以及輔助開關(guān)管、輔助二極管的應(yīng)力計算。

2.1 開關(guān)管S2的導(dǎo)通時間

由電路的模態(tài)分析可以看出，輔助開關(guān)管S2應(yīng)先于主開關(guān)管S1一段時間導(dǎo)通，以保證主開關(guān)以ZVS狀態(tài)導(dǎo)通，S2導(dǎo)通的時間設(shè)為tS2。

tS2的選擇可以遵循以下原則：首先，tS2不宜過大，因為若S2導(dǎo)通時間過長，會導(dǎo)致緩沖電路導(dǎo)通損耗加大，因此，tS2的上限值應(yīng)取小于變換器開關(guān)周期Ts的1/10的值。其次，tS2若選取的太小會導(dǎo)致主開關(guān)在輕載情況下ZVS導(dǎo)通失效。此外，為了顯著降低主二極管D1的反向恢復(fù)損耗，并且考慮到模態(tài)3的諧振時間tr3，tS2應(yīng)選擇為大于5倍的trr。最終，基于本次設(shè)計的變換器的開關(guān)頻率100 kHz，并結(jié)合仿真綜合考慮后tS2選取為0.9 μs。

2.2 緩沖電感L2的設(shè)計

由前述理論分析可以看出，L2與輔助開關(guān)管S2的導(dǎo)通時間tS2有關(guān)；另外，從圖3所示出電路波形圖可以也可看出tS2應(yīng)滿足tS2≥tr2+tr3的關(guān)系，其中tr2和tr3分別表示模態(tài)2和模態(tài)3持續(xù)的時間，可由式(2)、式(3)計算得到

(2)

(3)

將式(2)和式(3)代入上述不等式可以得到電感L2的值應(yīng)滿足如下關(guān)系式

(4)

將2.1節(jié)中得到的tS2的值代入式(4)可以得到L2≤19 μH。為了盡量減少電路工作在模態(tài)3續(xù)流狀態(tài)的時間，在確定L2的值時應(yīng)盡量靠近其最大值。

2.3 緩沖電容C2的設(shè)計

緩沖電容C2決定主開關(guān)管S1在模態(tài)10關(guān)斷時的關(guān)斷電壓以及輔助開關(guān)管S2關(guān)斷時的dv/dt。由式(1)可知，計算C2的值需要首先確定ΔVC2的值，ΔVC2一般選取為小于輸入電壓的15 %，進(jìn)而由式(1)到C2的下限值。此外，為了使主開關(guān)管在模態(tài)10以近似ZVS狀態(tài)關(guān)斷，當(dāng)模態(tài)5結(jié)束時，緩沖電容C2兩端的電壓應(yīng)至少保證被儲存在電感L2中的能量充電至(Vin-ΔVC2)。因此，緩沖電容C2的值應(yīng)滿足以下關(guān)系

(5)

其中,IL2_peak可根據(jù)模態(tài)3諧振期間L2與Coss1確定的電流關(guān)系得到

(6)

(7)

在計算得到IL2_peak的值后，最終確定C2=10 nF。

2.4 輔助開關(guān)管及輔助二極管應(yīng)力計算

由前述理論分析可知，輔助開關(guān)管關(guān)斷時承受的電壓即為輸入電壓Vin。由于輔助開關(guān)管S2與輔助電感L2串聯(lián)，L2的峰值電流即為S2的峰值電流，因此,S2的電流有效值可以由IL2_peak近似計算得到

(8)

由圖3所示電路波形圖可知，二極管D2,D3,D4承受的電壓應(yīng)力分別為ΔVC2,Vin,Vin。此外，由波形圖可以看出在電路中的三個輔助二極管中，D2所承受的電流應(yīng)力最高，因此只需要確定流過二極管D2的電流即可。流過D2的平均電流為

(9)

式中tr5與tr11的值分別表示模態(tài)(5)和模態(tài)(11)持續(xù)的時間，可由式(10)和式(11)計算得到

tr5=t5-t4

(10)

(11)

確定電路輸入電壓Vin=350 V，輸出電壓VO=150 V，開關(guān)頻率fs=100 kHz，輸出功率PO=1.5 kW。結(jié)合前述內(nèi)容，最終得到電路相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 電路關(guān)鍵參數(shù)

3 仿真與實驗

3.1 仿真結(jié)果

為了驗證理論分析的正確性，本文使用電源仿真軟件SIMetrix對所提出的電路進(jìn)行仿真。仿真電路中相關(guān)器件參數(shù)與表1所示一致。仿真結(jié)果如圖4所示。

電路中主開關(guān)S1接通與關(guān)斷時的ZVS特性如圖4(a)所示。圖4(b)所示為輔助開關(guān)管S2的ZCS接通和ZVS斷開波形。圖4(c)為輸出二極管D1以ZCS斷開時的波形。三個輔助二極管D2,D3,D4的軟開關(guān)特性分別由圖4(d)～(f)表示。仿真結(jié)果與前述理論分析一致。

圖4 電路的仿真波形

3.2 實驗結(jié)果

按照表1所示相關(guān)參數(shù)搭建了實驗樣機(jī)。變換器在滿載時的效率達(dá)到98.1 %。開關(guān)器件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，與仿真結(jié)果一致，驗證了理論分析的正確性。主開關(guān)S1的電壓、電流如圖5(a)所示，輔助開關(guān)管S2的電壓、電流如圖5(b)所示，S1為ZVS開通、ZVS關(guān)斷，S2為ZCS開通、ZVS關(guān)斷。輸入與輸出電壓波形如圖5(c)所示，輸入電壓Vin=350 V，輸出電壓Vo=150 V。

圖5 電路的實驗波形

4 結(jié) 論

本文分析了帶有有源緩沖電路的Buck變換器的工作原理，對變換器的緩沖電感和緩沖電容進(jìn)行了設(shè)計，給出開關(guān)管及二極管的選型依據(jù)，將變換器應(yīng)用在光伏儲能系統(tǒng)中。仿真與實驗表明:變換器實現(xiàn)了輸入350 V到輸出150 V的電壓轉(zhuǎn)換，電路中所有半導(dǎo)體器件均工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低了開關(guān)損耗，提升了變換器的功率密度。變換器結(jié)構(gòu)和控制方式簡單，具有比較好的應(yīng)用前景。