一种新颖的零电压零电流开关PWM三电平直流变换器

摘要：提出一种新颖的零电压零电流开关PWM三电平直流变换器，它是在基本的三电平直流变换器的变压器原边串入一个阻断电容，使原边电流在零状态时减小到零。为了使原边电流在零状态时减小到零后不再反方向流动，在两个滞后开关管中分别串入一个二极管。该变换器可以实现超前开关管的零电压开关和滞后开关管的零电流开关。由于在零状态中原边电流为零，减小了通态损耗，因此可以提高变换效率。本文分析该变换器的工作原理，讨论它的参数设计，并给出实验结果。
叙词：三电平直流变换器 零电压开关 零电流开关 脉宽调制

一、 引言
随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的要求越来越高，特别是对输入功率因数的要求也越来越高，三单相功率因数校正（Power Factor Correction， PFC） 变换器的输出电压一般为760VDC~800VDC，有时甚至达到1000V，这就要求提高PFC变换器以及后级的直流变换器的开关管的电压定额，使得很难选择合适的开关管。为了克服这个问题，Barbi教授提出了三电平直流变换器（Three-Level converters， TL变换器）的概念[1-2]，在该变换器中，开关管的电压应力为输入直流电压的一半。
为了减小变换器的体积和重量，必须提高开关频率，这就要求实现开关管的软开关，减小开关管的开关损耗。零电压开关（Zero-Voltage-Switching， ZVS）PWM TL直流变换器可以利用开关管的结电容和变压器的漏感实现开关管的零电压开关[1]，该电路的优点是电路拓扑结构简单，实现了PWM控制。但也存在两个缺点：①超前管利用输出滤波电感和漏感的能量实现零电压开关，比较容易。但是滞后管只能利用漏感的能量来实现零电压开关，由于漏感一般较小，在负载较轻时其能量不足以实现滞后管的零电压开关。如果将漏感做得大，将会带来较大的占空比丢失问题。②在零状态时，原边不给负载提供能量，但原边有环流存在，在开关管和变压器原边绕组中产生通态损耗，影响了变换效率的提高。基于这两个问题，文[3]提出了一种零电压零电流开关（Zero-Voltage and Zero-Current-Switching， ZVZCS）PWM TL直流变换器，它可以在很宽的负载范围内实现超前管的零电压开关和滞后管的零电流开关，同时消除了原边环流。但由于该变换器中加入一个饱和电感，也带来了两个问题：①饱和电感损耗较大，限制了开关频率的提高；②饱和电感较难设计，易导至较大的占空比丢失。
本文提出一种新颖的ZVZCS PWM TL 直流变换器，它采用移相控制，其主电路和主要波形如图1所示。其中和是分压电容，其容量相等，并且很大，它们的电压均为输入电源电压的一半，即：==/2。是变压器的原边漏感，和为箝位二极管，和是超前管，和是滞后管，和分别为超前管和的并联电容。为联结电容，分别将两只超前管和两只滞后管的开关过程连接起来。在变换器稳态工作时，电容上的电压恒定为/2。是阻断电容，它使原边电流在零状态时减小到零，从而实现滞后管和的零电流开关。为了防止在零状态时减小到零后继续反方向流动，在滞后管中分别串入二极管和。

图1 新颖的ZVZCS PWM TL 直流变换器
二、 工作原理
在分析之前，作如下假设：①所有开关管、二极管、电感、电容均为理想元器件；②阻断电容足够大；③==；④滤波电感足够大，可认为是一恒流源，大小为输出电流Io。变换器在一个开关周期中有10种开关模态，其等效电路如图2所示，各开关模态工作情况描述如下：


图2各个开关模态的等效电路
1、 开关模态0
[时刻][对应于图2（a）]在时刻，和导通，=（+1），原边电流为=，给充电。其中K为变压器原副边匝比。电压为（）。
2、开关模态1
[，][对应于图2（b）]在时刻关断，给充电，同时通过电容给放电。由于有和，是零电压关断。此时漏感和滤波电感相串联， 一般很大，近似不变，类似于一个恒流源。继续给充电。电压线性上升，电压线性下降。

在时刻，的电压上升到/2，的电压下降到0，A点电位为/2，自然导通，开关模态1结束，这时=0。该模态的持续时间为：
(4)
在时刻，上的电压为：
（5）
3、 开关模态2
[·][对应于图2（c）]：当导通后，的电压被箝在0，因此可以零电压开通。与 驱动信号之间的死区时间＞，即
＞/ (6)
在这段时间里，和导通，=0。加在变压器原边绕组和漏感上的电压为，开始减小，同时使变压器原边电压极性改变，副边感应电势成为下正上负。和同时导通，因此变压器原、副边绕组电压均为零。此时全部加在上，减小，上升。由于较小，而较大，因此可认为在这个开关模态中，基本不变，基本是线性减小，即：

在时刻，下降到零。该开关模态的持续时间为：
=·/
4、 开关模态3
[·][对应于图2（d）]：在开关模态3中，=0，B点对地电压为=/2，A点对地电压为=/2+。副边两个整流管同时导通，均分负载电流。
5、 开关模态4
[，][对应于图2（e）]：在时刻，关断，此时中并没有电流流过，因此是零电流关断。在很小的延时后，开通，由于漏感的存在，不能突变，是零电流开通。由于不足以提供负载电流，副边两个整流管依然同时导通，变压器的原、副边绕组被钳在0。此时加在漏感两端的电压为-（+），从零开始反方向线性增加。

在时刻，反方向增加到负载电流。该开关模态的时间为：

6、 开关模态5[，]
[对应于图2（f）]：从时刻开始，原边为负载提供能量，同时给阻断电容反向充电。输出整流管关断，所有负截电流均流过。在这个开关模态中，

在时刻，

为下一次零电流关断和零电流开通作准备。在时刻，关断，开始[，]的另一个半周期，其工作情况类似于前面描述的[，]。

三、 参数设计
在时刻达到负的最大值-，而[，]时段与[，]时段是类似的，因此有：

一般＜＜，那么上式可简化为：

1、 实现滞后开关管ZCS的条件
从上节分析可以知道，要实现滞后开关管的零电流开，原边电流ip必须在滞后开关管关断之前从负载电流减小到零。从式（9）和（15）可以推出ip从负载电流减小到零的时间为：

式中D是占空比，Ts是开关周期
从式（16）中可以看出，与负载电流无关，与占空比D成反比。也就是说，只要满足式（16），就可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后开关管的零电流开关。
2、 最大占空比从图3中可以知道，本变换器的最大占空比由下式决定，

式中Tzcs是实现滞后开关管零电流开关的时间，它取决于开关管的关断特性。

图3
3、 滞后开关管的电压应力
在开关模态3中，为零，=/2+，=/2，滞后开关管上的电压为：
V=/2+1
V=
从上面两个表达式可知，滞后开关管的电压应力为/2+，而且要承受反向电压，因此滞后开关管要串联二极管。
4、 阻断电容的选择
阻断电容的选择受到两个因素的制约：①从式（16）和（17）中可知，为了提高，应当尽量小；②从（18）和（19）中可知，为了降低滞后开关管的电压应力和反向电压，应当尽量大。因此要权衡选择，一般在输出满载时，阻断电容电压峰值=10%。

四、 实验结果与分析
为了验证本电路的工作原理，本文采用此方案研制成功54V/50A通讯用开关电源。实验参数为：输入交流电压为三相380V/50Hz交流电，经过整流滤波后得到直流电压为=530VDC；输出直流电压V0=54VDC；输出电流I0=50A；变压器原副边匝比K=3；变压器原边漏感=6μH；阻断电容=1μF；并联电容==10nf；输出滤波电感=10μH；输出滤波电容Cf=10000μF；超前开关管为IXFH32N50；滞后开关管为CT60AM-20；串联二极管为DSEI30-06A；输出整流二极管为MEK95-06 DA；开关频率fs=50kHz。
图4给出了在输出满载50A时的实验波形。图4（a）是原边电压和原边电流波形。该图表明当=0时，阻断电容上的电压使从负载电流减小到零，从而实现滞后开关管的ZCS。与ZVS PWM TL直流变换器相比，本变换器不存在原边环流，因而可以提高变换效率。图4（b）是和变压器原边电压波形，由于有的电压，不是一个方波，但其平均值与ZVS PWM TL直流变换器一样。图4（c）是阻断电容的电压波形。图4（d）是滞后开关管的电流和驱动波形，该图说明滞后开关管是零电流开关的。图4（e）是超前开关管的电压和驱动波形，该图说明超前开关管是ZVS的。图4（f）是超前开关管和滞后开关管的电压波形，由于钳位二极管的作用，超前开关管的电压应力为/2，而滞后开关管没有反并二极管，其电压应力为/2+，而且有反向电压-，因此需要串联二极管来承受这个反向电压。

图4 实验结果
三相380V交流电，不同输出电流的整机变换效率。满载输出50A时变换效率为92.6%，比ZVS PWM TL直流变换器变换效率高。这主要是ZVZCS PWM TL 直流变换器在零状态时变压器和开关管中不存在通态损耗。图5（b）给出了电源在输出满载50A/54V时，输入三相交流电压从304V（380V-20%）变化到456V（380V+20%）时的整机变换效率。从中可以看出，输入电压越高，变换效率越高。而ZVS PWM TL直流变换器的变换效率却是输入电压越高，变换效率越低。这也是由于ZVS PWM TL 直流变换器中存在原边环流造成的，因为输入电压越高，零状态时间越长，原边环流导致的损耗越大。而ZVZCS PWM TL 直流变换器不存在原边环流，因此其变换效率随着输入电压的升高而提高。

（a） 输入380V交流电，输出电流变化 （b）输出50A/54V时，输入交流电压变化
图5 变换效率图
五、 结论
本文提出了一种ZVZCS PWM TL 直流变换器，分析了该变换器的工作原理和参数设
计，并给出了实验结果。该类变换器有如下优点：
① 开关管的电压应力为输入直流电压的一半；
② 在很宽的负载范围内实现了超前开关管的零电压开关；
③ 在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后开关管的零电流开关；
④ 不存在ZVS PWM TL直流变换器的原边环流，提高了变换器的变换效率；

参考文献
[1] J. Renes Pinheiro and Ivo Barbi， "The three-level zvs pwm converter- A new concept in high-voltage dc-to-dc conversion，" IEEE IECON， 1992， pp. 173-178
[2] J. Renes Pinheiro and Ivo Barbi， "Wide load range the three-level zvs-pwm dc-to-dc converter，" IEEE PESC， 1993， pp. 171-177
[3] F.Canales， P.M.Barbosa and F.C.Lee， "A zero voltage and zero current switching three level dc/dc converter，" IEEE-APEC’2000， pp.314-320

本项目受到中国航空科学基金和台达电力电子科教发展基金资助