三電平軟開關(guān)直流變換器典型拓?fù)浞治?/h1>
1 引言
近年來(lái)，人們對(duì)電力電子裝置的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的要求不斷提高，三電平變換器作為順應(yīng)這一潮流的一種解決方案受到越來(lái)越多的關(guān)注。三電平[1]大大降低了開關(guān)管的電壓等級(jí)，這樣有利于減小開關(guān)損耗，提高效率，降低成本。為了減小變換器的體積和重量，高頻化是電力電子學(xué)一直追求的目標(biāo)，伴隨著高頻化，功率器件的開關(guān)損耗問(wèn)題成為一個(gè)日益突出的矛盾，由此軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率以及改善EMI問(wèn)題的一個(gè)重要手段。
三電平零電壓軟開關(guān)直流變換器即是由此應(yīng)運(yùn)而生的一種新型，實(shí)用的拓?fù)?/strong>，通過(guò)采用移相控制技術(shù)，利用開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器漏感的諧振實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。通過(guò)高頻變壓器漏感儲(chǔ)能對(duì)功率開關(guān)管兩端輸出電容的充放電使開關(guān)管兩端電壓下降為零，使變換器4個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容作用下零電壓關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過(guò)程中的電磁干擾，為變換器提高開關(guān)頻率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的條件。
但在實(shí)際應(yīng)用中，三電平零電壓軟開關(guān)（ZVS）變換器存在著幾個(gè)較難克服的問(wèn)題，從而出現(xiàn)了一系列改進(jìn)拓?fù)?。為此，本文系統(tǒng)地總結(jié)和分析了目前較為實(shí)用和典型的三電平零電壓軟開關(guān)變換器拓?fù)洹?
2 傳統(tǒng)三電平零電壓軟開關(guān)直流變換器優(yōu)缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的三電平ZVS軟開關(guān)直流變換器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，簡(jiǎn)稱TL-ZVS DC/DC converter）如圖1所示。其拓?fù)涮攸c(diǎn)[2]是引入大容量飛跨電容Css，變換器工作時(shí)其電壓穩(wěn)定在Vin/2，使得超前管、滯后管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件相互獨(dú)立，互不干擾；并且將移相技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能很好地降低電路中的損耗，提高效率。因此，非常適合高輸入電壓中大功率場(chǎng)合。
圖1 傳統(tǒng)的三電平移相全橋ZVS變換器
但是，傳統(tǒng)的三電平ZVS軟開關(guān)直流變換器也存在不少問(wèn)題。諸如
1）滯后臂在輕載情況下很難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，使得它不適合應(yīng)用于負(fù)載大范圍變化的場(chǎng)合；
2)環(huán)流能量大大增加，輸入Vin越高，變換器效率越低，因?yàn)椋?i>Vin越高，零狀態(tài)時(shí)間越長(zhǎng)；在零狀態(tài)時(shí)，原邊電流處于自然續(xù)流狀態(tài)，一次側(cè)沒(méi)有能量傳遞到輸出級(jí)，而在變壓器，諧振電感和開關(guān)管中卻存在通態(tài)損耗；
3）由于諧振電感的存在，使得變壓器副邊有占空比丟失現(xiàn)象，變壓器漏感L1k越大，占空比損失Dloss越大，Dloss使次級(jí)占空比Dsec減小；
4）副邊整流二極管電壓尖峰大。
3 改進(jìn)拓?fù)浞治?
3.1 滯后臂輕載軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)
參見圖1，為了改善傳統(tǒng)的三電平FB-ZVS變換器滯后臂的零電壓開關(guān)負(fù)載范圍，一個(gè)最直接的方法就是增加變壓器的漏感或在變壓器原邊串接一個(gè)電感Lr，以增大諧振電感的儲(chǔ)能，使之在輕載下也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滯后臂開關(guān)管并聯(lián)電容的完全充放電，實(shí)現(xiàn)滯后臂開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。但這樣做有以下缺點(diǎn)。
1)環(huán)流能量進(jìn)一步增加 設(shè)變換器的零電壓導(dǎo)通負(fù)載范圍為Io≥Iomin，Iomin=20％Iomax（Iomax為變換器滿載運(yùn)行時(shí)輸出電流值）。當(dāng)變換器以20％負(fù)載運(yùn)行時(shí)，滯后臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電感儲(chǔ)能為
Emin=(Llk＋Lr)Iomin2/(2n2)
當(dāng)以滿載運(yùn)行時(shí)，電感儲(chǔ)能
Emax=(Llk＋Lr)Iomax2/(2n2)
從而有
=25
這說(shuō)明，滿載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)環(huán)流能量將是滯后臂開關(guān)管零電壓導(dǎo)通實(shí)際所需能量的25倍。這將直接導(dǎo)致變換器通態(tài)損耗大大增加。 [!--empirenews.page--]
2）進(jìn)一步增加了副邊電壓占空比ΔD丟失 主要原因是電感的增加導(dǎo)致原邊電流從一個(gè)方向向另一個(gè)方向變化的斜率Vin/(Llk＋Lr)變小。副邊整流管換流過(guò)程中，兩二極管同時(shí)導(dǎo)通，副邊電壓箝位在零，電壓Vab上升到電源電壓Vin，原邊電流可近似看作以斜率Vin/Llk線性變化，斜率越小，變化時(shí)間段間隔越長(zhǎng)，占空比損耗越大。由ΔD=可知，占空比損耗加大（fs為開關(guān)頻率）。
3）加劇了漏感與副邊整流二極管結(jié)電容的寄生振蕩，使二次側(cè)整流管耐壓值增加。
3.2 引入濾波電感諧振擴(kuò)大零電壓開關(guān)負(fù)載范圍
如圖2所示，該改進(jìn)拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)飽和電感S5，S6作為開關(guān)，分別與輸出整流二極管的陽(yáng)極相串聯(lián)。超前臂的關(guān)斷過(guò)程與傳統(tǒng)的三電平ZVS變換器一樣。此拓?fù)涫窃跍蟊坶_關(guān)管進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的短暫期間，使副邊整流二極管不能同時(shí)導(dǎo)通，則輸出濾波電感n2Lout可被用來(lái)參與諧振，由于輸出濾波電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器漏感，因此，大大擴(kuò)展了滯后臂開關(guān)管的零電壓負(fù)載范圍。該拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是由于漏感不再是實(shí)現(xiàn)ZVS必不可少的元件，因此可以很小，這樣占空比損失和副邊整流二極管的寄生振蕩也大大降低。
圖2 具有輸出濾波電感的三電平移相全橋ZVS變換器
3.3 利用倍流整流電路擴(kuò)大零電壓開關(guān)負(fù)載范圍
文獻(xiàn)[6]提出了用移相控制三電平倍流整流零電壓開關(guān)變換器來(lái)擴(kuò)大零電壓開關(guān)負(fù)載范圍。倍流整流是從全波整流方式演化而來(lái)的，即用兩個(gè)獨(dú)立的，大小相同的電感代替全橋整流拓?fù)渲械囊唤M整流管，仍保持“全波整流”的形式，實(shí)質(zhì)是兩個(gè)電感交錯(cuò)并聯(lián)。因而，該拓?fù)涑哂星笆鲭娐返膬?yōu)點(diǎn)外，還由于副邊整流二極管自然換流，從而避免了反向恢復(fù)造成的電壓尖峰和電壓振蕩。該拓?fù)淙鐖D3所示。
圖3 三電平倍流整流移相全橋ZVS變換器 [!--empirenews.page--]
3.4 利用變壓器勵(lì)磁電感擴(kuò)大零電壓開關(guān)負(fù)載范圍
從前面變換器的討論中可以看出，在滯后臂開關(guān)管關(guān)斷的諧振過(guò)程中，雖然勵(lì)磁電感Lm具有較大的數(shù)值，但由于原副邊的短路，它基本上無(wú)法參與諧振。只有當(dāng)勵(lì)磁電流iLm大于副邊反射電流Io/n時(shí)，勵(lì)磁電感Lm才可能參與諧振[3]。因而，在具有變壓器勵(lì)磁電感三電平移相全橋ZVS變換器中，增加了兩個(gè)開關(guān)管S5，S6（用于使副邊開路），分別與輸出整流二極管陰極相串聯(lián)，同時(shí)在副邊增加了一個(gè)續(xù)流二極管（副邊開路后續(xù)流）。S5，S6可以用磁放大器構(gòu)成的飽和電抗器構(gòu)成。在這個(gè)電路中，變壓器漏感很小，滯后臂開關(guān)管關(guān)斷后，通過(guò)使勵(lì)磁電感Lm參與諧振，保證開關(guān)管在輕負(fù)載下的零電壓導(dǎo)通。
合理選擇變壓器勵(lì)磁電感的參數(shù)，可使變換器從空載到滿載整個(gè)范圍內(nèi)，滿足開關(guān)管零電壓開關(guān)條件，即零電壓開關(guān)條件與負(fù)載無(wú)關(guān)，同時(shí)保持了較小的環(huán)流。改拓?fù)溥€有一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓可以通過(guò)變壓器副邊開關(guān)調(diào)節(jié)，原邊保持恒定占空比，這種調(diào)節(jié)方式一方面加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，另一方面簡(jiǎn)化了控制電路，無(wú)需考慮原副邊隔離。該拓?fù)淙鐖D4所示。
圖4 具有變壓器勵(lì)磁電感三電平移相全橋ZVS變換器
3.5 采用ZVZCS電路
ZVZCS電路是針對(duì)ZVS電路的不足而產(chǎn)生的一種新型拓?fù)?，通過(guò)加入箝位電路使原邊電流復(fù)零，可在任意負(fù)載和輸入電壓變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂的軟開關(guān)，同時(shí)由于原邊電流復(fù)位不存在環(huán)流，減小了通態(tài)損耗?？朔孙柡碗姼袔?lái)的缺點(diǎn)，有效地提高了占空比。
原邊電流復(fù)位的方法總結(jié)起來(lái)主要有3種：
1）在變壓器原邊使用隔直電容和飽和電感（見圖5），在原邊電壓過(guò)零期間，將隔直電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位[4]；
圖5 隔直電容和飽和電感復(fù)位
2）在變壓器副邊整流器輸出端并聯(lián)電容（見圖6），在原邊電壓過(guò)零期間，將副邊電容上的電壓反射到原邊作為反向阻斷電壓源，使原邊電流迅速?gòu)?fù)位[5]；
圖6 電容電壓復(fù)位
3）利用超前臂開關(guān)管的反向雪崩擊穿，使存儲(chǔ)在變壓器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT中，為滯后臂提供零電流開關(guān)的條件。
4 結(jié)語(yǔ)
本文主要分析了傳統(tǒng)的三電平軟開關(guān)直流變換器存在的缺點(diǎn)及其改進(jìn)的拓?fù)洌瑲w納總結(jié)了改進(jìn)的一般方法。三電平以其高效率，適用于高壓，大功率，拓?fù)?/strong>簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前三電平軟開關(guān)直流變換器研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，仍有以下幾個(gè)方面應(yīng)引起研究者關(guān)注：
1）軟開關(guān)的應(yīng)用并未達(dá)到令人滿意的程度，最近又出現(xiàn)了以諧振變換器代替軟開關(guān)的提法，如何將兩者更好地結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)值得關(guān)注的方向；
2）三電平的控制方法很少有人研究，能否采用更好的控制方法在實(shí)現(xiàn)高的控制性能的同時(shí)，又能簡(jiǎn)化控制的復(fù)雜性，相信這是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
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