当一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换

一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

1 引 言

目 前 ， 在 中 大 功 率 通 信 DC/DC电 源 中 ， 三 电 平 直 流 变 换 器 （ Three Level DC/DC Converter） 成 为 研 究 的 热 点 [1][2]， 该 拓 扑 可 以 使 开 关 管 电 压 应 力 为 输 入 直 流 电 压 的 一 半 ， 这 在 有 三 相 PFC输 入 的 场 合 （ 输 出 直 流 一 般 为 760～ 850 V） 是 一 个 极 大 的 优 势 ， 它 可 使 低 压 开 关 器 件 用 于 高 压 上 。 实 际 上 ， 三 电 平 电 路 是 半 桥 电 路 的 延 伸 ， 但 与 半 桥 电 路 的 硬 开 关 相 比 ， 三 电 平 变 换 器 巧 妙 结 合 移 相 电 路 的 特 点 ， 利 用 变 压 器 漏 感 （ 或 外 加 谐 振 电 感 ） 和 开 关 管 的 寄 生 结 电 容 谐 振 实 现 开 关 管 的 ZVS。

与 传 统 的 移 相 全 桥 ZVS软 开 关 一 样 ， 对 于 滞 后 臂 软 开 关 ， 传 统 的 移 相 ZVS三 电 平 很 难 在 轻 载 时 实 现 ZVS， 并 且 存 在 占 空 比 丢 失 的 问 题 。 针 对 ZVS三 电 平 电 路 的 不 足 ， 提 出 了 零 电 压 零 电 流 （ ZVZCS） 三 电 平 变 换 器 [3]， 其 中 两 只 实 现 开 关 管 的 ZVS， 另 4. 周围无腐蚀性介质;外 的 两 只 实 现 开 关 管 的 ZCS。 但 是 ， 电 路 均 会 由 于 输 出 二 极 管 存 在 反 向 恢 复 问 题 ， 而 引 起 输 出 电 压 振 荡 ， 使 二 极 管 承 受 很 高 的 电 压 尖 峰 ， 而 易 损 坏 。

本 文 提·“尼桑”已将透光塑料前灯用于其新的“Skyline”型汽车上 出 一 种 带 输 出 饱 和 电 感 及 续 流 二 极 管 的 改 进 型 ZVS三 电 平 变 换 器 。 250 W样 机 实 验 结 果 证 明 ， 它 有 效 地 克 服 了 ZVS电 路 的 不 足 之 处 ， 把 三 电 平 变 换 器 和 移 相 控 制 很 好 地 结 合 在 一 起 。 与 传 统 ZVS三 电 平 比 较 ， 成 本 并 不 会 提 高 很 多 ， 易 于 实 现 中 大 功 率 变 换 。 本 文 将 首 先 阐 明 它 的 工 作 原 理 ， 然 后 提 出 饱 和 电 感 的 设 计 思 路 ， 以 及 峰 值 电 流 控 制 模 式 的 稳 定 性 分 析 ， 最 后 给 出 了 实 验 的 结 果 和 波 形 。

2 工 作 原 理

图 1中 ， Q1和 Q4是 超 前 桥 臂 ， Q2和 Q3是 滞 后 桥 臂 ， Cs是 飞 跨 电 容 ， Dc1和 Dc2 是 箝 位 二 极 管 ， Lr为 谐 振 电 感 ， Ls1和 Ls2为 输 出 饱 和 电 感 ， Ds为 续 流 二 极 管 。 与 传 统 的 ZVS三 电 平 比 较 ， 它 增 加 了 次 级 饱 和 电 感 Ls1、 Ls2和 输 出 续 流 二 极 管 Ds。

一 般 移 相 三 电塑料俨然已成为电力电缆电子等核心材料 平 在 一 个 完 整 的 开 关 周 期 有 12个 开 关 状 态 ， 除 了 正 半 周 和 副 半 周 的 2个 功 率 输 出 过 程 和 2个 箝 位 续 流 过 程 外 ， 还 有 超 前 臂 工 作 期 间 从 死 区 时 间 开 始 的 谐 振 和 换 流 过 程 ， 以 及 滞 后 臂 工 作 期 间 从 死 区 时 间 开 始 的 谐 振 和 换 流 过 程 。

为 了 实 现 ZVS软 开 关 ， 超 前 及 滞 后 臂 都 必 须 有 足 够 的 电 感 量 来 吸 收 开 关 管 寄 生 电 容 和 变 压 器 分 布 电 容 上 的 电 荷 ， 如 下 式

式 中 :L为 总 的 参 与 谐 振 的 电 感 ；

Ctr为 变 压 器 分 布 电 容 等 效 值 。

三 电 平 零 电 压 超 前 桥 臂 由 于 有 励 磁 电 感 和 输 出 电 感 折 算 值 n2Lf参 与 谐 振 ， 因 此 有 足 够 的 能 量 在 很 宽 范 围 内 实 现 超 前 臂 ZVS。 但 是 ， 传 统 ZVS三 电 平 在 滞 后 臂 谐 振 的 时 候 两 输 出 整 流 二 极 管 同 时 处 于 续 流 状 态 ， 只 有 原 边 的 谐 振 电 感 Lr参 与 谐 振 ， 输 出 电 感 和 励 磁 电 感 都 不 参 与 谐 振 换 流 。 由 于 Lr n2Lf， 相 对 于 超 前 臂 而 言 ， 滞 后 臂 很 难 在 宽 范 围 内 实 现 ZVS， 同 时 在 换 流 过 程 ， ZVS电 路 会 发 生 副 边 占 空 比 丢 失 。

加 入 输 出 饱 和 电 感 和 续 流 二 极 管 后 ， 改 变 了 滞 后 臂 的 换 流 过 程 ， 励 磁 电 感 将 参 与 谐 振 换 流 。 根 据 饱 和 电 废钢需求或有1定提升感 的 特 性 ， 在 超 前 臂 Q1和 Q4在 换 流 过 程 中 与 传 统 的 ZVS三 电 平 类 似 ， 此 时 饱 和 电 感 由 于 电 流 大 ， 处 于 饱 和 低 阻 导 通 状 态 ； 滞 后 臂 Q2和 Q3换 流 时 ， 初 级 电 流 降 到 励 磁 电 流 ， 输 出 整 流 二 极 管 电 流 趋 近 于 零 ， 饱 和 电 感 很 快 退 出 饱 和