三電平軟開關直流變換器典型拓撲分析

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1??? 引言

??? 近年來，人們對電力電子裝置的電壓等級和功率等級的要求不斷提高，三電平變換器作為順應這一潮流的一種解決方案受到越來越多的關注。三電平^[1]大大降低了開關管的電壓等級，這樣有利于減小開關損耗，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一直追求的目標，伴隨著高頻化，功率器件的開關損耗問題成為一個日益突出的矛盾，由此軟開關技術應運而生，成為降低開關損耗，提高系統效率以及改善EMI問題的一個重要手段。

??? 三電平零電壓軟開關直流變換器即是由此應運而生的一種新型，實用的拓撲，通過采用移相控制技術，利用開關管的結電容和變壓器漏感的諧振實現開關管的零電壓開關。通過高頻變壓器漏感儲能對功率開關管兩端輸出電容的充放電使開關管兩端電壓下降為零，使變換器4個開關管依次在零電壓下導通，在緩沖電容作用下零電壓關斷，從而有效地降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中的電磁干擾，為變換器提高開關頻率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的條件。

??? 但在實際應用中，三電平零電壓軟開關（ZVS）變換器存在著幾個較難克服的問題，從而出現了一系列改進拓撲。為此，本文系統地總結和分析了目前較為實用和典型的三電平零電壓軟開關變換器拓撲。

2??? 傳統三電平零電壓軟開關直流變換器優缺點

??? 傳統的三電平ZVS軟開關直流變換器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，簡稱TL-ZVS DC/DC converter）如圖1所示。其拓撲特點^[2]是引入大容量飛跨電容C_ss，變換器工作時其電壓穩定在V_in/2，使得超前管、滯后管實現軟開關的條件相互獨立，互不干擾；并且將移相技術與軟開關技術結合起來，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合。

圖1??? 傳統的三電平移相全橋ZVS變換器

??? 但是，傳統的三電平ZVS軟開關直流變換器也存在不少問題。諸如

??? 1）滯后臂在輕載情況下很難實現軟開關，使得它不適合應用于負載大范圍變化的場合；

??? 2)環流能量大大增加，輸入V_in越高，變換器效率越低，因為，V_in越高，零狀態時間越長；在零狀態時，原邊電流處于自然續流狀態，一次側沒有能量傳遞到輸出級，而在變壓器，諧振電感和開關管中卻存在通態損耗；

??? 3）由于諧振電感的存在，使得變壓器副邊有占空比丟失現象，變壓器漏感L_1k越大，占空比損失D_loss越大，D_loss使次級占空比D_sec減小；

??? 4）副邊整流二極管電壓尖峰大。

3??? 改進拓撲分析

3.1??? 滯后臂輕載軟開關的實現

??? 參見圖1，為了改善傳統的三電平FB-ZVS變換器滯后臂的零電壓開關負載范圍，一個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電感L_r，以增大諧振電感的儲能，使之在輕載下也可以實現對滯后臂開關管并聯電容的完全充放電，實現滯后臂開關管的零電壓導通。但這樣做有以下缺點。

??? 1)環流能量進一步增加??? 設變換器的零電壓導通負載范圍為I_o≥I_omin，I_omin=20％I_omax（I_omax為變換器滿載運行時輸出電流值）。當變換器以20％負載運行時，滯后臂開關管關斷時的電感儲能為

??? E_min=(L_lk＋L_r)I_omin²/(2n²)

??? 當以滿載運行時，電感儲能

??? E_max=(L_lk＋L_r)I_omax²/(2n²)

??? 從而有

??? =25

??? 這說明，滿載運行時，系統環流能量將是滯后臂開關管零電壓導通實際所需能量的25倍。這將直接導致變換器通態損耗大大增加。

??? 2）進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致原邊電流從一個方向向另一個方向變化的斜率V_in/(L_lk＋L_r)變小。副邊整流管換流過程中，兩二極管同時導通，副邊電壓箝位在零，電壓V_ab上升到電源電壓V_in，原邊電流可近似看作以斜率V_in/L_lk線性變化，斜率越小，變化時間段間隔越長，占空比損耗越大。由ΔD=可知，占空比損耗加大（f_s為開關頻率）。

??? 3）加劇了漏感與副邊整流二極管結電容的寄生振蕩，使二次側整流管耐壓值增加。

3.2??? 引入濾波電感諧振擴大零電壓開關負載范圍

??? 如圖2所示，該改進拓撲使用了兩個飽和電感S₅，S₆作為開關，分別與輸出整流二極管的陽極相串聯。超前臂的關斷過程與傳統的三電平ZVS變換器一樣。此拓撲是在滯后臂開關管進行狀態轉換的短暫期間，使副邊整流二極管不能同時導通，則輸出濾波電感n₂L_out可被用來參與諧振，由于輸出濾波電感遠遠大于變壓器漏感，因此，大大擴展了滯后臂開關管的零電壓負載范圍。該拓撲的特點是由于漏感不再是實現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大零電壓開關負載范圍

??? 文獻[6]提出了用移相控制三電平倍流整流零電壓開關變換器來擴大零電壓開關負載范圍。倍流整流是從全波整流方式演化而來的，即用兩個獨立的，大小相同的電感代替全橋整流拓撲中的一組整流管，仍保持“全波整流”的形式，實質是兩個電感交錯并聯。因而，該拓撲除具有前述電路的優點外，還由于副邊整流二極管自然換流，從而避免了反向恢復造成的電壓尖峰和電壓振蕩。該拓撲如圖3所示。

圖3??? 三電平倍流整流移相全橋ZVS變換器

3.4??? 利用變壓器勵磁電感擴大零電壓開關負載范圍

??? 從前面變換器的討論中可以看出，在滯后臂開關管關斷的諧振過程中，雖然勵磁電感L_m具有較大的數值，但由于原副邊的短路，它基本上無法參與諧振。只有當勵磁電流i_Lm大于副邊反射電流I_o/n時，勵磁電感L_m才可能參與諧振^[3]。因而，在具有變壓器勵磁電感三電平移相全橋ZVS變換器中，增加了兩個開關管S₅，S₆（用于使副邊開路），分別與輸出整流二極管陰極相串聯，同時在副邊增加了一個續流二極管（副邊開路后續流）。S₅，S₆可以用磁放大器構成的飽和電抗器構成。在這個電路中，變壓器漏感很小，滯后臂開關管關斷后，通過使勵磁電感Lm參與諧振，保證開關管在輕負載下的零電壓導通。

??? 合理選擇變壓器勵磁電感的參數，可使變換器從空載到滿載整個范圍內，滿足開關管零電壓開關條件，即零電壓開關條件與負載無關，同時保持了較小的環流。改拓撲還有一個顯著優點是輸出電壓可以通過變壓器副邊開關調節，原邊保持恒定占空比，這種調節方式一方面加速系統的動態響應，另一方面簡化了控制電路，無需考慮原副邊隔離。該拓撲如圖4所示。

圖4??? 具有變壓器勵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ZVS電路的不足而產生的一種新型拓撲，通過加入箝位電路使原邊電流復零，可在任意負載和輸入電壓變化范圍內實現滯后臂的軟開關，同時由于原邊電流復位不存在環流，減小了通態損耗。克服了飽和電感帶來的缺點，有效地提高了占空比。

??? 原邊電流復位的方法總結起來主要有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，使原邊電流復位^[4]；

圖5??? 隔直電容和飽和電感復位

??? 2）在變壓器副邊整流器輸出端并聯電容（見圖6），在原邊電壓過零期間，將副邊電容上的電壓反射到原邊作為反向阻斷電壓源，使原邊電流迅速復位^[5]；

圖6??? 電容電壓復位

??? 3）利用超前臂開關管的反向雪崩擊穿，使存儲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的條件。

4??? 結語

??? 本文主要分析了傳統的三電平軟開關直流變換器存在的缺點及其改進的拓撲，歸納總結了改進的一般方法。三電平以其高效率，適用于高壓，大功率，拓撲簡單等一系列優點而得到越來越廣泛的應用。根據當前三電平軟開關直流變換器研究和應用現狀，仍有以下幾個方面應引起研究者關注：

??? 1）軟開關的應用并未達到令人滿意的程度，最近又出現了以諧振變換器代替軟開關的提法，如何將兩者更好地結合，充分發揮各自的優點，是一個值得關注的方向；

??? 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現高的控制性能的同時，又能簡化控制的復雜性，相信這是今后研究的一個熱點。