一種基于軟開(kāi)關(guān)三電平DC/DC開(kāi)關(guān)電源的研制

1 引言

目前，開(kāi)關(guān)電源正朝著高頻、高效、環(huán)保等方向發(fā)展。與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，三電平變換器由于具有開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，適合輸入電壓較高的場(chǎng)合，輸出電壓諧波小等優(yōu)點(diǎn)，從而備受關(guān)注。此外，伴隨著高頻化發(fā)展，出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，并結(jié)合三電平產(chǎn)生了不同拓?fù)涞腄C/DC變換器。傳統(tǒng)ZVS半橋三電平DC/DC變換器輕載時(shí)滯后管難以實(shí)現(xiàn)ZVS，且開(kāi)通損耗嚴(yán)重。ZVZCS變換器消除了ZVS三電平變換器零狀態(tài)時(shí)變壓器初級(jí)環(huán)流，減小了初級(jí)通態(tài)損耗，同時(shí)改善了占空比丟失問(wèn)題，近年來(lái)得到了廣泛研究。

這里提出一種新型ZVZCS半橋三電平DC/DC變換器，其次級(jí)采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源筘位網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)這個(gè)無(wú)源箝位網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了超前橋臂在一定負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS和滯后橋臂的ZCS。

2 主電路工作原理

圖1為新型半橋三電平DC/DC變換器拓?fù)洹?/P>

由圖1可見(jiàn)，次級(jí)采用的無(wú)源箝位網(wǎng)絡(luò)主要由箝位電容CA和二極管VDA1，VDA2，VDA3構(gòu)成。變壓器次級(jí)中心抽頭通過(guò)VDA1連接到CA，將次級(jí)電壓箝位在一個(gè)較低的水平。Cs1，Cs2為等值的輸入分壓電容，VDc1，VDc2為箝位二極管，Css為飛跨電容，Llk為變壓器漏感，n為變比，VDR1～VDR4為整流二極管，Lf，Cf分別為濾波電感、電容，Uin，Uo為輸入、輸出直流電壓。采用移相PWM控制策略，工作波形如圖2所示。

為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：電路各器件均為理想元件；Lf足夠大，其電流不變；將Cf看作恒壓源。變換器在半個(gè)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有9個(gè)工作模態(tài)，分析如下：

新周期開(kāi)始前超前管VS1導(dǎo)通，負(fù)載電流通過(guò)整流二極管續(xù)流，a，b間電壓、次級(jí)電壓、初級(jí)電流分別為uab，urec，ip，此時(shí)uab=urec= 0，ip=0.

模態(tài)1（t1～t2） t1時(shí)刻，滯后管VS2導(dǎo)通，新周期開(kāi)始。由于ip=0，VS2此時(shí)ZCS開(kāi)通。uab=Uin/2，ip線性增加。由于ip仍小于負(fù)載電流Io折算到初級(jí)的值Io/n，VDR1～VDR4全部導(dǎo)通，urec為零，說(shuō)明該模態(tài)中次級(jí)存在占空比丟失現(xiàn)象。

模態(tài)2（t2～t3） t2時(shí)刻，ip達(dá)到Io/n，VDR1，VDR4關(guān)斷，初級(jí)開(kāi)始向負(fù)載傳遞能量。由于CA上電壓為零，VDR1，VDR4為ZVS關(guān)斷。同時(shí)VDA1導(dǎo)通，輸入部分能量通過(guò)Ilk，VDA1向CA充電。記Uins（m2）為此模態(tài)中初級(jí)折算到次級(jí)的等效電壓，Llk（m2）為折算到次級(jí)的等效漏感，則CA的電流iCA電壓uCA，ip及urec分別為：

由于CA通過(guò)變壓器次級(jí)中心抽頭充電，urec=2uCA.t3時(shí)刻，uCA=Uo，VDA3導(dǎo)通，urec被箝位為2Uo.記UrecP為次級(jí)電壓峰值，則UrecP= 2Uo.

模態(tài)3（t3～t4）記uCA電壓峰值為UCAM，UCAM=Uo保持不變，Llk中的諧振電流經(jīng)過(guò)VDA3流向Cf，iCA迅速減小為零，urec保持2Uo不變。t4時(shí)刻Llk電流諧振到零，VDA1，VDA3 ZCS關(guān)斷。

模態(tài)4（t4～t5） uCA仍保持UCAM不變，由于該模態(tài)下urec>Uo，VDA2不會(huì)導(dǎo)通，有ip（t）=Io/n，urec（t）=Uin/（2n）。

模態(tài)5（t5～t6） t5時(shí)刻，VS1 ZVS關(guān)斷，記電容C1，C4電壓分別為uC1，uC4，則UC1（t5）=0，UC4（t5）=Uin/2，ip向C1充電，C4放電，次級(jí)電壓和整流二極管電壓迅速減小，則有：

模態(tài)6（t6～t7）隨著urec的減小，整流二極管兩端電壓迅速下降，在t6時(shí)刻被箝位為UCAM，此時(shí)VDA2 ZVS導(dǎo)通，CA開(kāi)始放電，ip下降。則有：

模態(tài)7（t7～t8）t7時(shí)刻，C1充電結(jié)束，C4放電結(jié)束，UC1（t7）=Uin/2，UC4（t7）=0，VDc1開(kāi)通，將VS1的電壓箝位在Uin/2，uab減小至零，ip迅速?gòu)?fù)位，CA繼續(xù)向負(fù)載放電。有：

模態(tài)8（t8～t9） t8時(shí)刻，ip完全復(fù)位，VDR2和VDR3關(guān)斷。負(fù)載電流由CA提供，uCA逐漸減小到零，整流二極管上的電壓也逐漸減小。有：

模態(tài)9（t9～t10） t9時(shí)刻，CA放電結(jié)束，VDA2關(guān)斷（ZVZCS），Lf，Cf開(kāi)始提供負(fù)載電流，VDR1～VDR4全部開(kāi)通，負(fù)載電流通過(guò)整流二極管續(xù)流。3 實(shí)現(xiàn)ZVZCS的條件

3.1 超前橋臂ZVS范圍

續(xù)流階段超前臂的ZVS特性與原來(lái)的ZVS移相控制電路相比有所不同，VS1關(guān)斷后，在urec下降到UCAM之前，超前臂的瞬態(tài)過(guò)程與ZVS移相控制電路一致，Lf參與諧振；在urecUCAM后，僅有漏感參與諧振過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS，必須有一定的漏感儲(chǔ)能。

模態(tài)5中，urec下降到UCAM，Lf參與對(duì)C1充電，對(duì)C4放電，根據(jù)式(2)中第3式，可得：

式中：IoZVSm為實(shí)現(xiàn)ZVS的最小負(fù)載電流。

模態(tài)6中，uC4減小到零，為VS4的ZVS開(kāi)通創(chuàng)造條件，此時(shí)只有漏感參與超前橋臂的ZVS。由式(3)中第2式及UC4(t7)=0可得：

由于CpLf，IoZVSm的值滿(mǎn)足上式也一定滿(mǎn)足式(6)。為實(shí)現(xiàn)VS4的ZVS開(kāi)通，uC4在t7時(shí)刻減小到零，同時(shí)uC1達(dá)到

可見(jiàn)，Lf的能量?jī)H在第一階段參與C1，C4的充放電，而最終諧振電容的充放電要靠漏感儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)，超前橋臂的ZVS只能在一定負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3．2 滯后橋臂ZCS范圍

模態(tài)7中，由Ip(t8)=0，CpCA以及式(4)中的第1式可得：

為保證續(xù)流階段初級(jí)無(wú)能量循環(huán)，模態(tài)8結(jié)束時(shí)uCA必須降到零。由式(5)可得，模態(tài)8的持續(xù)時(shí)間tm8=(CA／Io)Urec(t8)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

在Pspice 9．2環(huán)境下對(duì)變換器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)所有功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)及二極管的軟換流，且次級(jí)電壓應(yīng)力較低。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性，研制了一臺(tái)輸出為48 V／20 A的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在樣機(jī)上進(jìn)行了波形測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。圖3a，b為VS1的ZVS開(kāi)通、關(guān)斷波形，其中，uds為漏源電壓，ugVS1為驅(qū)動(dòng)電壓。圖3c為VS2的ZCS波形，其中，id為漏極電流。圖3d為urec波形。

可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致，實(shí)現(xiàn)了超前橋臂一定負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS和滯后橋臂的ZCS。此外，在純阻性負(fù)載下對(duì)變換器效率進(jìn)行測(cè)試，最大效率達(dá)92％，輕載時(shí)效率仍接近90％，與傳統(tǒng)ZVZCS三電平變換器相比，效率有所提高。

5 結(jié)論

提出的新型變換器通過(guò)諧振電容與漏感及濾波電感之間的諧振，來(lái)實(shí)現(xiàn)超前橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓轉(zhuǎn)換，通過(guò)變壓器次級(jí)繞組中心抽頭對(duì)箝位電容充電及箝位電容的放電，來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的零電流轉(zhuǎn)換，有效地降低了次級(jí)整流管的電壓應(yīng)力。此外箝位電容能量通過(guò)負(fù)載放電，減小了次級(jí)占空比丟失現(xiàn)象，提高了變換器效率。