新能源产业之车载OBC系列一：交错双管软开关电路

写在前面：大家好，每周的更新来了！！！由于作者很懒，后续能保证不定期的更新频率都非常困难，为了粉丝的期望，坚持更新中，也希望有愿意分享的朋友一起来写一些行业知识，心得感悟，电源故事等等都可以，期待您的分享。

写作背景：这次准备写一系列的产业分析，后面的写作思路可能比较激进了，不太适合入门级的学者和小朋友们，等我有时间再更新基础知识哈。刚好最近几年见过不少国内外的新能源上下游的电源产品，也来划拉划拉，看看到底大家在拓扑理解上都有什么不一样的地方，研究一下为何非要用这种方式做。由于这个系列写起来，可能周期稍微长了点，将会把充电机、车载、电池等一些相关行业电源模块的拓扑都拿出来比划比划，后续逐步展开，漏了哪条想起来的时候我再补上，看看今日之中国电源界都在围绕着哪些技术烧着真金白银。刚好前一段时间发现21世纪电源网有个ID为“星宇”的大佬分享它的交错双管软开关的电路，今天就拿它白活白活吧。

免责声明：

（1）不涉及任何公司的核心机密和关键细节及完整参数。

（2）这里只进行技术论证和谈论，毕竟交流让人类进步。

（3）后面涉及到的很多专利都是公开的，所有人都可以查看和下载。

  (4）如果哪条涉及贵司权益了，请及时跟作者联系，将在第一时间进行修改。

（5）为啥我来写？因为比我水平高的都不屑于写文章，比我水平低的又写不出来，在好山好水的深圳，我可能比较无聊吧，分享是一种快乐，也能让我沉淀细节，打算给这几年的青春一个交代，就当毕个业吧，社会打工大学/电源系/烙铁天字1班。

（6）为什么要写当下热门行业的技术分析呢？不怕有人抄袭方案拓扑?

原因有5个：a、我们只讨论技术范畴，与产品差距甚远。b、如果你水平不行，抄袭别人的东西就是等死，连哪有坑都不知道，理解不了谁敢用，肯定是脑子有坑了，需要填多少钱多少时间进去啊。c、这些行业如今大部分已经三分天下，如果技术真的那么容易打破行业门槛就好了，是资本是资本是资本，重要的事情说三遍。市场你都拿不下，还想跟别人竞争，这就是个笑话。d、真正的产品本身并不止是技术那么简单的事情，更不止是拓扑这么简单的事情，想抄的大胆抄，如果高度不够又没有积累，那么欢迎随时送死，慢走不送。当然如果你技术水平和产品水平可以，可以提前完善技术积累，在以后的项目里借鉴，谁的研发都是需要时间的，我只是个领路的而已，而且我说的也不一定全是对的，还是要大家多多指点批评的。e、电源街的整体大环境未来不一定那么乐观，我希望能帮助大家提高相应的技能，给自己留一条活路，也同时希望大家能把眼光往国际层次放一放，中国的电源现在已经有了完整的产业链和廉价的制造成本，只是目前的产品质量和研发实力及国外的市场方面都是未来需要前进的方向，要时刻牢记我辈仍需努力啊。

以上文字后面会一直带着，直到写完这个系列，当然这期间偶尔心情好也会写点其他的，反正我是跟着心走的，或者跟着钱也行，或者实在不行就跟着人走了。

正文

       作为一个跌跌撞撞爬过几年坑的人，也算有点经验，今天继续带大家刨坑电源界的那些事儿。对于AC/DC的模块，暂时都先写其中的DCDC部分，因为前面的PFC拓扑种类较少，对产品性能差异上影响较小，到时候再集中把常用的PFC解析一下。下面便开始今天的DCDC学习：新能源产业——车载电源领域——OBC系列之新拓扑——交错双管软开关。

1、输入电压：200-380V
2、输出电压：70-144V
3、功率：1500W
4、效率93%+（目标效率95%）

5、输出最大电流：20A。

     这个版主的车载OBC的范围和常规的电动汽车不太一样，可能是那些小车的吧，不过无所谓的，拓扑不分功率，我们这里指研究拓扑的性能优劣等问题。

 
 

先上一张作者共享的仿真图片

       原创者共享了仿真图片及相关参数，我用PSIM重新搭建了一下该拓扑及参数的闭环仿真来验证，本打算快速复现一下，可惜水平不够啊，在此坑爬了好久。

在这里看到原创给出的一些信息的时候，进行了N次的仿真，虽然波形与作者给出的波形已经非常相似了，但是总是有些事情没有理解透彻，控制上我先进行了调脉宽的闭环仿真试验，闭环结果很好，可惜软开关没有，后来我发现忽略了那个耦合电感，加上去之后，闭环依然很好，软开关只在一些情况下存在，这不符合原创说的软开关的条件啊，所以我就观察了一下它的仿真波形，如下图所示：

上图是原创给出的仿真波形，第一次观察这个波形的时候，我把注意力都放在了第一行的电流上，峰值很大，后面没了，跟下面的几行的驱动能对的上，然后我就去仿真了，电流的波形是对了，但是软开关还是一点，后来我发现貌似移相了，我又去移相了，我通过移相实现了与原创上次的三电平的电压波形，但是这时候只是下管的软开通，而上管只是零流开通，貌似与原创说的不一样啊。我又回来看了，刚好看见了原创说出了有源双极性的控制方式，我再看这个驱动的时候才发现，原来还是理解不到位，虽然我移相可以使单个MOS软开关，但是没有，那么我又把发波方式改了一下，改成了有限双极性的发波方式。 驱动如下图所示：（就是桥式电路的对管一起开通，然后其中一个驱动提前关闭，这个共同导通的时间就是主要能量传递的时间，是真实的占空比D决定，而另外一个驱动定频恒脉宽，比如50%。）

然后我就仿真出作者所说的ZVS+ZCS了，仿真结果如下所示：

你以为到这里就完事了吗？我又进行了观察，我理了一下自己的摸索思路，发现移相又调占空比，在一定负载范围内是可以实现四个MOS的全部软开关的哦！贴个图：

其实是我改良了一下有限双极性的发波方式，在一起发波那个地方，进行了移相，这个移相的时间长短，是可以使滞后臂的MOS实现软开关的，而不仅仅是ZCS！不知道这种控制方式是否有人研究过，感觉还不错的。

其实ZVZCS的PWM全桥变换器在阮新波老师所著的《脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术》一书中有写出来（波形如上图），但是原创者把这种思维模式引入到正激变换中，并进行了更改，并借鉴英特矽尔的ZVS全桥控制器ISL6752中的一些思想，（应用电路如下图所示），虽然原创者可能是通过硬件芯片进行了试验，但是研究导致这里，感觉原创者确实是在一个领域里深耕了，对拓扑的理解也是非常高的。这里我简单说一下，采用数字控制芯片实现，需要对电流进行检测，需要霍尔检测，应该采用峰值电流保护和平均电流控制的方法，需要进行对移相角度的设计。其他的设计方法应该相差不多。由于笔者没有做过移相全桥的产品，对部分其性能理解不深，不过想来天下谐振软开关皆为一家，原理是一样的，后面我写移相全桥的话，再来详细研究一下。

我理解的大致思路是这样的：增益主要靠占空比出，软开关的参数设计在重载下，理想情况下占空比与移相角匹配的初级电流ip在死区时间内实现电容泄放，从而实现软开关。实际上钳位二极管也发挥了作用。这种模式下变压器存在三个电平，VCC，0，-VCC。斩波电路中的等效占空比D。也可能原创没有等效两个变量，只是单边调试到最小后，再调试另一个。这种复杂的需要研究传递函数并画出边界的控制，在工程侧是否能真的满足批量一致性是个问题。当然移相全桥无碍，那么这个类似于移相半桥也无碍，哈哈，随便起的名字。该拓扑实现了超前臂零压滞后臂零流。（不过在某个特殊点也能实现4个管子全部零压，是我不小心仿出来的，跟本次的理解无关）。下面是该拓扑在移相情况下的一些仿真图片：

简单的解析一下拓扑电路：

（1）本拓扑特殊之处在于变压器的原边有两个绕组，然后每个绕组接于桥臂两端，此时上下桥臂一起开通，电压为VCC，电压利用率为1，增益为2D（D为单个开关管的占空比，取值范围0到0.5之间），则输出电压为Vout=2*D*VCC。

（2）控制上在图一的电路上GDA、B同时导通，GDC、D同时导通。A与B之间可移相，C与D之间可移相。A与C相差180度。A与B有限双极性控制，脉宽不等长，同时开通。C与D也一样的。

（3）软开关需要有那个耦合电感（两个独立的电感也可以实现软开关，但是却没有电流抑制的作用），其实可以按照传统的谐振理解，绝大数的软开关，基本上都是L与C谐振，使C上的电压达到谷底时进行开通，不过有的是通过MOS的体二极管有的是外接二极管单向续流，还有的完成不了这个泄放过程就只能检测谷底开通等。无论是调频，移相，还是调占空比等，为了MOS的结电容两端电压消失，就只能提供一条开通前的泄放回路。图中的二极管跟传统双管正激类似钳位续流。

让我们回头看一下，一些基础相关拓扑，双管正激，双管反激及交错双管正激，移相全桥。

双管正激

双管反激

从左边初级侧的形态上看，双管正激和双管反激都是一样的，二极管有续流钳位之用。正激是初级侧导通时传递能量，反激是初级侧导通时存储能量。这里不研究正激和反激，这是观察拓扑形态。

再看一下，常规的两并联交错正激电路，如下图所示：

 双并联交错正激电路

对比该版主的电路，器件层次上：

（1）输入侧的开关器件和变压器数量减少了，减少了两个二极管和一个变压器，但是增加了变压器的一个绕组和一个耦合电感。（输出侧只是整流方式不同，与拓扑无关。）

（2）变压器的二合一，谐振电感二合一。

移相全桥

原创者称：有效解决了全桥可能出现的直通的问题，并且实现了ZVS+ZCS。确实实现了ZVS+ZCS，至于交错这个词却有点鸡肋了，只是初级的交错。原创者在拓扑上的深耕值得学习。 有限双极性的控制方式是非常好的。控制上复杂了一些，对于小功率拼成本的产品是否有优势是个问题，在中大功率需要与移相全桥和LLC进行竞争，无论以后是否能广泛使用，这个拓扑已经做的很好了。缺点就是峰值电流和二极管钳位的损耗问题。这个可能跟设计工作本身有关，需要进行工程设计再权衡损失。后面还有一个拓扑使用了有限双极性，等写那个的时候，再修改一下这篇的问题。

看完之后，你感觉在车载OBC这种宽范围领域该拓扑是否适合呢？

后记：今天想留下我写的一段师道：

       耻以天下人为师者，必无所长以精通，必无所知以达远。万般世界皆圣人，皆可为师也。今日汝为师，他日可为徒也，今日汝为徒，他日亦可为师焉。师徒皆可轮换，实为进步之举，而非德之捆绑，道之沦丧。求知之路，如身心之卧冰，侧卧辗转求为真。如逆水之行舟，飘摇不进徒茫然。如一日之三餐，不食明日不可敌。如日常之工作，远观一切皆妄想。此为吾之师道也，望君共勉之。