三電平軟開(kāi)關(guān)直流變換器典型拓撲分析

1 引言

近年來(lái)，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(lái)越多的關(guān)注。三電平^[1]大大降低了開(kāi)關(guān)管的電壓等級，這樣有利于減小開(kāi)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，伴隨著(zhù)高頻化，功率器件的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題成為一個(gè)日益突出的矛盾，由此軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應運而生，成為降低開(kāi)關(guān)損耗，提高系統效率以及改善EMI問(wèn)題的一個(gè)重要手段。

三電平零電壓軟開(kāi)關(guān)直流變換器即是由此應運而生的一種新型，實(shí)用的拓撲，通過(guò)采用移相控制技術(shù)，利用開(kāi)關(guān)管的結電容和變壓器漏感的諧振實(shí)現開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。通過(guò)高頻變壓器漏感儲能對功率開(kāi)關(guān)管兩端輸出電容的充放電使開(kāi)關(guān)管兩端電壓下降為零，使變換器4個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導通，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(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電磁干擾，為變換器提高開(kāi)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)際應用中，三電平零電壓軟開(kāi)關(guān)（ZVS）變換器存在著(zhù)幾個(gè)較難克服的問(wèn)題，從而出現了一系列改進(jìn)拓撲。為此，本文系統地總結和分析了目前較為實(shí)用和典型的三電平零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器拓撲。

2 傳統三電平零電壓軟開(kāi)關(guān)直流變換器優(yōu)缺點(diǎn)

傳統的三電平ZVS軟開(kāi)關(guān)直流變換器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，簡(jiǎn)稱(chēng)TL-ZVS DC/DC converter）如圖1所示。其拓撲特點(diǎn)^[2]是引入大容量飛跨電容C_ss，變換器工作時(shí)其電壓穩定在V_in/2，使得超前管、滯后管實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的條件相互獨立，互不干擾；并且將移相技術(shù)與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結合起來(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 傳統的三電平移相全橋ZVS變換器

但是，傳統的三電平ZVS軟開(kāi)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)現軟開(kāi)關(guān)，使得它不適合應用于負載大范圍變化的場(chǎng)合；

2)環(huán)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(tài)時(shí)間越長(cháng)；在零狀態(tài)時(shí)，原邊電流處于自然續流狀態(tài)，一次側沒(méi)有能量傳遞到輸出級，而在變壓器，諧振電感和開(kāi)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??；

4）副邊整流二極管電壓尖峰大。

3 改進(jìn)拓撲分析

3.1 滯后臂輕載軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現

參見(jiàn)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(kāi)關(guān)負載范圍，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L_r，以增大諧振電感的儲能，使之在輕載下也可以實(shí)現對滯后臂開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容的完全充放電，實(shí)現滯后臂開(kāi)關(guān)管的零電壓導通。但這樣做有以下缺點(diǎn)。

1)環(huán)流能量進(jìn)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(mǎn)載運行時(shí)輸出電流值）。當變換器以20％負載運行時(shí)，滯后臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電感儲能為

E_min=(L_lk＋L_r)I_omin²/(2n²)

當以滿(mǎn)載運行時(shí)，電感儲能

E_max=(L_lk＋L_r)I_omax²/(2n²)

從而有

=25

這說(shuō)明，滿(mǎn)載運行時(shí)，系統環(huán)流能量將是滯后臂開(kāi)關(guān)管零電壓導通實(shí)際所需能量的25倍。這將直接導致變換器通態(tài)損耗大大增加。