内容摘要：为了实现三半桥双向DC/DC变换器的零电压导通和关断，进一步提高变换器的性能，本文探讨了三半桥拓扑双向DC/DC变换器的软开关条件。通过理论分析和仿真验证，研究了影响三半桥双向DC/DC变换器的软开关条件的因素。结果表明，三半桥双向DC-DC变换器的软开关条件与其控制变量有关.
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继续线性增加直至t15时刻ir12= idc1，ir56在正电压的作用下也在线性增长，副边电流ir34= ir12+ir56也因此而线性增加。此模态下任一时刻内给S5加驱动信，即可实现S5的零电压(ZVS)开通。
⒃ 模态16(t15～t16)
t15时刻，当原边电流ir12大于输入电感电流ICd1时，开关管S1导通。副边电流ir34线性增加直至t16时刻ir34=0。
⒄ 模态17(t16～t17)
t16时刻，当副边电流ir34由负过0时，电流由D4换流到S4中，S4导通。
⒅ 模态18(t17～t18)
t17时刻S4关断，Cr3、Cr4与变压器Tr漏感谐振，Cr4充电，其电压不断升高，Cr3放电，其电压不断降低，电压变化率主要与t17时刻副边电流值ir34(t17)有关。当t18时刻Cr3端电压过0变负时，D3自然导通，在t17～t18期间S3可以零电压开通。此后，又回到模态1，电路又开始下一周期的模态循环。
根据以上分析可知，隔离式三半桥ＤＣ/DC变换变压器原副边，在一个开关周期的电压电流波形及开关管时序如图2所示。
图2正向模式下电流电压工作波形以及开关时序图
ＤＣ/ＤＣ变换器两侧拓扑结构的对称性，反相（Buck）模式的工作原理与正向（Boost)模式是相似的。这里就不赘述。
3 软开关条件
三半桥双向DC/DC变换器在正方向模式下的工作原理，和换流过程与单输入ZVS双半桥双向DC/DC变换器是相似的[4] 。开关器件关断时，会将其中通过的电流转移到相应的箝位电容中与变压器漏感谐振，与同一桥臂上两个开关管并联的箝位电容分别进行充电和放电，电压线性上升和下降，从而实现零电压关断。而零电压开通的实现，是通过使已施加正向驱动信号的开关管在反并联二极管导通时开通。
在Boost模式下开关管S4～S6零电压开关（ZVS）的实现，与开关管关断前时刻原副边电流的状态有关，由其工作原理分析可知，不同时刻电流要求如式（1）所示。
对于Buck模式，由于电路结构的对称性及功率流向的反向关系，各模态以及各开关管的零电压开关(ZVS)条件与Boost模式相同，即式(2) 。
4 软开关范围分析
将式（1）写成函数形式为式（3），其中函数fl到f6分别表示开关管S2、S6、S4、S1、S5、和S3的软开关条件。
其中Ø13，Ø53分别为与电源Vin1，Vin2连接的两个组合式半桥拓扑单元，与输出侧电压型半桥拓扑单元驱动信号之间的移相角， Ø15为两个组合式半桥电路之间的移相角。
本文关键字：开关 不间断电源-逆变器技术，电源动力技术 - 不间断电源-逆变器技术
