三电平软开关直流变换器典型拓扑分析

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1、三电平软开关直流变换器典型拓扑分析

2、第1内容加载中...1引言近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，三电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案受到越来越多的关注。三电平[1]大大降低了开关管的电压等级，这样有利于减小开关损耗，提高效率，降低成本。为了减小变换器的体积和重量，高频化是电力电子学一直追求的目标，伴随着高频化，功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，成为降低开关损耗，提高系统效率以及改善EMI问题的一个重要手段。三电平零电压软开关直流变换器即是由此应运而生的一种新型，实用的拓扑，

3、通过采用移相控制技术，利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关。通过高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电使开关管两端电压下降为零，使变换器4个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中的电磁干扰，为变换器提高开关频率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的条件。但在实际应用中，三电平零电压软开关（ZVS）变换器存在着几个较难克服的问题，从而出现了一系列改进拓扑。为此，本文系统地总结和分析了目前较为实用和典型的三电平零电压软开关变换器拓扑。2

4、传统三电平零电压软开关直流变换器优缺点传统的三电平ZVS软开关直流变换器（three-levelzerovoltagesouseg(this)">图1传统的三电平移相全桥ZVS变换器但是，传统的三电平ZVS软开关直流变换器也存在不少问题。诸如1）滞后臂在轻载情况下很难实现软开关，使得它不适合应用于负载大范围变化的场合；2)环流能量大大增加，输入Vin越高，变换器效率越低，因为，Vin越高，零状态时间越长；在零状态时，原边电流处于自然续流状态，一次侧没有能量传递到输出级，而在变压器，谐振电感和开关管中却存在通态损耗；3）由于谐振电感的存在，使得

5、变压器副边有占空比丢失现象，变压器漏感L1k越大，占空比损失Dloss越大，Dloss使次级占空比Dsec减小；4）副边整流二极管电压尖峰大。3改进拓扑分析3.1滞后臂轻载软开关的实现参见图1，为了改善传统的三电平FB-ZVS变换器滞后臂的零电压开关负载范围，一个最直接的方法就是增加变压器的漏感或在变压器原边串接一个电感Lr，以增大谐振电感的储能，使之在轻载下也可以实现对滞后臂开关管并联电容的完全充放电，实现滞后臂开关管的零电压导通。但这样做有以下缺点。1)环流能量进一步增加设变换器的零电压导通负载范围为Io≥Iomin，Iomin=20％I

6、omax（Iomax为变换器满载运行时输出电流值）。当变换器以20％负载运行时，滞后臂开关管关断时的电感储能为Emin=(Llk＋Lr)Iomin2/(2n2)当以满载运行时，电感储能Emax=(Llk＋Lr)Iomax2/(2n2)从而有500)this.style.ouseg(this)">=25这说明，满载运行时，系统环流能量将是滞后臂开关管零电压导通实际所需能量的25倍。这将直接导致变换器通态损耗大大增加。2）进一步增加了副边电压占空比ΔD丢失主要原因是电感的增加导致原边电流从一个方向向另一个方向变化的斜率Vin/(Llk＋Lr)变小

7、。副边整流管换流过程中，两二极管同时导通，副边电压箝位在零，电压Vab上升到电源电压Vin，原边电流可近似看作以斜率Vin/Llk线性变化，斜率越小，变化时间段间隔越长，占空比损耗越大。由ΔD=500)this.style.ouseg(this)">可知，占空比损耗加大（fs为开关频率）。3）加剧了漏感与副边整流二极管结电容的寄生振荡，使二次侧整流管耐压值增加。3.2引入滤波电感谐振扩大零电压开关负载范围如图2所示，该改进拓扑使用了两个饱和电感S5，S6作为开关，分别与输出整流二极管的阳极相串联。超前臂的关断过程与传统的三电平ZVS变换器一样

8、。此拓扑是在滞后臂开关管进行状态转换的短暂期间，使副边整流二极管不能同时导通，则输出滤波电感n2Lout可被用来参与谐振，由于输出滤波电感远远大于变压器漏感，因此，大大扩展了滞后臂开关管的零电压负载范围。该拓扑的特点是由于漏感不再是实现ZVS必不可少的元件，因此可以很小，这样占空比损失和副边整流二极管的寄生振荡也大大降低。500)this.style.ouseg(this)">图2具有输出滤波电感的三电平移相全桥ZVS变换器3.3利用倍流整流电路扩大零电压开关负载范围文献[6]提出了用移相控制三电平倍流整流零电压开关变换器来扩大零电压开关负载

9、范围。倍流整流是从全波整流方式演化而来的，即用两个独立的，大小相同的电感代替全桥整流拓扑中的一组整流管，仍保持“全波整流”的形式，实质是两个电感交错并联。因而，该拓