摘要：介紹了一種帶輸出飽和電感的移相零電壓開關(guān)PWM三電平直流變換器，與傳統(tÇ’ng)的零電壓三電平比較，它具有在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)；減小副邊占空比丟失；減小輸出二極管的寄生振蕩及電壓尖峰等特點(diÇŽn)。實(shí)é©—(yàn)樣機(jÄ«)表明，該電路整機(jÄ«)效率高，采用電流峰值控制后，系統(tÇ’ng)çš„ç©©(wÄ›n)定性高，易于實(shí)現(xiàn)中大功率DC/DC變換。 é—œ(guān)鍵詞：飽和電感；零電壓開關(guān)；三電平 1引言 目前，在中大功率通信DC/DC電源中，三電平直流變換器（ThreeLevelDC/DCConverter）成為研究的熱點(diÇŽn)[1][2]，該拓?fù)淇梢允归_é—œ(guān)管電壓應(yÄ«ng)力為輸入直流電壓的一半，這在有三相PFC輸入的場(chÇŽng)合（輸出直流一般為760～850V）是一個(gè)極大的優(yōu)å‹¢(shì)，它可使低壓開關(guān)器件用于高壓上。實(shí)際上，三電平電路是半橋電路的延伸，但與半橋電路的硬開關(guān)相比，三電平變換器巧妙結(jié)合移相電路的特點(diÇŽn)，利用變壓器漏感（或外加諧振電感）和開關(guān)管的寄生結(jié)電容諧振實(shí)現(xiàn)é–‹é—œ(guān)管的ZVS。 與傳統(tÇ’ng)的移相全橋ZVS軟開關(guān)一樣，對(duì)于滯后臂軟開關(guān)，傳統(tÇ’ng)的移相ZVS三電平很難在輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS，并且存在占空比丟失的問題。針對(duì)ZVS三電平電路的不足，提出了零電壓零電流（ZVZCS）三電平變換器[3]，其中兩只實(shí)現(xiàn)é–‹é—œ(guān)管的ZVS，另外的兩只實(shí)現(xiàn)é–‹é—œ(guān)管的ZCS。但是，電路均會(huì)由于輸出二極管存在反向恢復(fù)問題，而引起輸出電壓振蕩，使二極管承受很高的電壓尖峰，而易損壞。 本文提出一種帶輸出飽和電感及續(xù)流二極管的改進(jìn)åž‹ZVS三電平變換器。250W樣機(jÄ«)實(shí)é©—(yàn)結(jié)果證明，它有效地克服了ZVS電路的不足之處，把三電平變換器和移相控制很好地結(jié)合在一起。與傳統(tÇ’ng)ZVS三電平比較，成本并不會(huì)提高很多，易于實(shí)現(xiàn)中大功率變換。本文將首先闡明它?工作原理，然后提出飽和電感的設(shè)計(jì)思路，以及峰值電流控制模式的穩(wÄ›n)定性分析，最后給出了實(shí)é©—(yàn)的結(jié)果和波形。 2 工作原理 圖1中，Q1å’ŒQ4是超前橋臂，Q2å’ŒQ3是滯后橋臂，Cs是飛跨電容，Dc1å’ŒDc2是箝位二極管，Lr為諧振電感，Ls1å’ŒLs2為輸出飽和電感，Ds為續(xù)流二極管。與傳統(tÇ’ng)çš„ZVS三電平比較，它增加了次級(jí)飽和電感Ls1、Ls2和輸出續(xù)流二極管Ds。 [align=center] [img=366,248]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/42-1.jpg[/img] [/align] 一般移相三電平在一個(gè)完整的開關(guān)周期有12個(gè)é–‹é—œ(guān)狀態(tài)，除了正半周和副半周的2個(gè)功率輸出過程和2個(gè)箝位續(xù)流過程外，還有超前臂工作期間從死區(qÅ«)時(shí)間開始的諧振和換流過程，以及滯后臂工作期間從死區(qÅ«)時(shí)間開始的諧振和換流過程。 為了實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，超前及滯后臂都必須有足夠的電感量來吸收開關(guān)管寄生電容和變壓器分布電容上的電荷，如下式 [img=321,38]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/42-2.jpg[/img] 式中:L為總的參與諧振的電感； [img=291,33]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/42-6.jpg[/img] C[sub]tr[/sub]為變壓器分布電容等效值。 三電平零電壓超前橋臂由于有勵(lì)磁電感和輸出電感折算值n2Lf參與諧振，因此有足夠的能量在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前臂ZVS。但是，傳統(tÇ’ng)ZVS三電平在滯后臂諧振的時(shí)候兩輸出整流二極管同時(shí)處于續(xù)流狀態(tài)，只有原邊的諧振電感Lr參與諧振，輸出電感和勵(lì)磁電感都不參與諧振換流。由于Lr≪n2Lf，相對(duì)于超前臂而言，滯后臂很難在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)在換流過程，ZVS電路會(huì)發(fā)生副邊占空比丟失。 加入輸出飽和電感和續(xù)流二極管后，改變了滯后臂的換流過程，勵(lì)磁電感將參與諧振換流。根據(jù)飽和電感的特性，在超前臂Q1å’ŒQ4在換流過程中與傳統(tÇ’ng)çš„ZVS三電平類似，此時(shí)飽和電感由于電流大，處于飽和低阻導(dÇŽo)通狀態(tài)；滯后臂Q2å’ŒQ3換流時(shí)，初級(jí)電流降到勵(lì)磁電流，輸出整流二極管電流趨近于零，飽和電感很快退出飽和，呈現(xiàn)高阻斷狀態(tài)，輸出電流全部流過續(xù)流二極管Ds，變壓器轉(zhuÇŽn)化為純電感狀態(tài)，從而啟動(dòng)勵(lì)磁電感參與滯后臂的串聯(lián)諧振。由于等效的諧振電感大大增加，在初級(jí)電流近似不變的條件下，根據(jù)式（1），滯后臂會(huì)有足夠能量吸收寄生電荷，實(shí)現(xiàn)寬范圍ZVS。同時(shí)在加入飽和電感后，由于滯后臂有勵(lì)磁電感參與諧振，諧振條件與負(fù)載關(guān)系不大，所以在設(shè)計(jì)原邊諧振電感時(shí)可以盡量減小該電感，這樣，根據(jù)文獻(xiàn)[2]對(duì)占空比丟失的討論，可以減小副邊占空比丟失。 飽和電感的特性相當(dāng)于磁開關(guān)，在電流小于Ic時(shí)，飽和電感不飽和，電感量很大，磁關(guān)斷輸出整流二極管，這樣有效地阻擋了由輸出二極管產(chÇŽn)生的反向恢復(fù)電流，從而減小了由二極管寄生電容和變壓器輸出漏感引起的電壓振蕩，同時(shí)減小電壓尖峰。 [b]3 飽和電感的設(shè)計(jì) [/b] 本文討論的是VITROPERM6050Z鈷基非晶磁芯，它的磁導(dÇŽo)率為2000～3000，具有非常低的磁芯損耗和非常高的矩形比，當(dāng)電流在接近零時(shí)具有非常大的電感量。這個(gè)很大的電感量可以有效地阻擋由二極管產(chÇŽn)生的反向恢復(fù)電流。該磁芯在比較小的電流條件下就可以進(jìn)入飽和。 飽和電感的磁滯回線如圖2所示，其工作過程如下：到達(dá)工作點(diÇŽn)1時(shí)（電流導(dÇŽo)通），磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量。當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，工作點(diÇŽn)到達(dá)剩磁點(diÇŽn)2。二極管的反向恢復(fù)效應(yÄ«ng)使得電流向小于零的方向減小，這時(shí)，由于鈷基非晶有非常高的磁導(dÇŽo)率，因此它的電感量很大，有效地抑制了二極管的尖峰電流，實(shí)現(xiàn)了二極管的軟恢復(fù)。由于高電感值，阻止了磁芯工作在工作點(diÇŽn)3，而留在反向剩磁點(diÇŽn)4，然后被磁化開始下一個(gè)循環(huán)。 一般來講 ， 飽和電感的磁通 [font=宋體]φ[/font]必須滿足式 （ 2） 。 [img=315,38]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-1.jpg[/img] 式中 ： S[sub]a[/sub]為磁芯截面積 ï¼› J為銅線電流密度 ï¼› F[sub]cu[/sub]為銅線填充系數(shù) ， 對(duì)于繞線磁芯電感 ， 取 F[sub]cu[/sub]=0.3～ 0.4; 對(duì) 于 銅 ç·š 徑 磁 芯 é›» æ„Ÿ ， 取 F[sub]cu[/sub]=1ï¼› t[sub]rr[/sub]為 輸 出 二 極 管 反 向 恢 復(fù) 時(shí) é–“ ï¼› V[sub]r[/sub]為 輸 出 二 極 管 反 向 é›» 壓 ï¼› I[sub]o[/sub]為 輸 出 é›» 流 。 所以具有中等線電流密度 （2A/mm[sup]2[/sup]）的銅線徑磁芯電感 ， 式 （ 2） 可以簡(jiÇŽn)化為 [img=345,144]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-2.jpg[/img] 4 峰值電流控制的穩(wÄ›n)定性分析 4．1峰值電流控制原理 峰值電流型控制是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新控制模式，它具有動(dòng)æ…‹(tài)性能好；輸出精度高；增益帶寬大；瞬間限流保護(hù)等特點(diÇŽn)。目前許多移相控制ZVS多采用此控制系統(tÇ’ng)。當(dāng)然移相三電平ZVS也不例外。 如圖3所示，系統(tÇ’ng)將代表開關(guān)管瞬態(tài)電流動(dòng)æ…‹(tài)信號(hào)VL與一個(gè)固定開關(guān)頻率、幅值很小的鋸齒波信號(hào)Vm相疊加（鋸齒波是斜率補(bÇ”)償，下面將會(huì)討論），然后再與參考電壓信號(hào)Ve進(jìn)行比較，共同決定導(dÇŽo)通橋臂的移相角α。這樣組成了一個(gè)電壓外環(huán)，峰值電流內(nèi)ç’°(huán)的電流型控制系統(tÇ’ng)。4個(gè)é–‹é—œ(guān)管的占空比D是固定保持在約50％的，只是導(dÇŽo)通橋臂移相角α決定了變壓器能量轉(zhuÇŽn)換的伏秒值，它是既與參考電壓成正比，又與開關(guān)管的瞬間電流峰值相關(guān)，這樣保證了開關(guān)管的瞬間電流峰值跟隨參考電壓的變化。該控制模式具有與移相控制結(jié)合的能力，并實(shí)現(xiàn)瞬間限流調(diào)整，可以對(duì)é–‹é—œ(guān)器件進(jìn)行動(dòng)æ…‹(tài)保護(hù)，同時(shí)也可以自動(dòng)保持高頻功率變壓器的動(dòng)æ…‹(tài)平衡。 [align=center][img=343,174]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-4.jpg[/img] [img=251,367]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-3.jpg[/img][/align] 4．2峰值電流系統(tÇ’ng)斜率補(bÇ”)å„Ÿ?shù)挠懻? 在峰值電流型控制中存在一個(gè)比較突出的問題，即在連續(xù)模式移相占空比Dα>50％時(shí)，隨著偏移量Δi變化，經(jÄ«ng)過幾個(gè)狀態(tài)周期的推移，偏移量將會(huì)越來越大，這樣閉環(huán)系統(tÇ’ng)將進(jìn)入不穩(wÄ›n)定，引起次諧波振蕩，電感電流振鈴等。為了保證系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定需要通過斜率補(bÇ”)å„Ÿ?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定，這樣雖然犧牲了一些系統(tÇ’ng)增益，但會(huì)使系統(tÇ’ng)在移相占空比Dα>50％時(shí)保持穩(wÄ›n)定。系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定性與斜率補(bÇ”)å„Ÿ?shù)å¹´P(guān)系如圖4所示。以下是它的斜率補(bÇ”)å„Ÿç©©(wÄ›n)定分析。 由幾何關(guān)系可知 [img=372,50]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-5.jpg[/img] 式中：m為補(bÇ”)償信號(hào)上升斜率； m[sub]1[/sub]為電感檢測(cè)電流上升率； m[sub]2[/sub]為電感檢測(cè)電流下降率。 所以，經(jÄ«ng)過一個(gè)é–‹é—œ(guān)周期后，輸出電感中電流的變化為 [img=394,108]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/43-6.jpg[/img] 要系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定，偏移電流量必須趨近于零，即 [img=281,35]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-1.jpg[/img] 故系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定的充要條件是 [img=292,38]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-2.jpg[/img] å› ?yàn)樵诜€(wÄ›n)定條件下，D· m[sub]1[/sub]=（1－ D）m[sup]2[/sup]， ，消去m1，整理后，移相峰值電流控制系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定充要條件為 [img=255,40]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-3.jpg[/img] 由式（11）可知，當(dāng)沒有斜率補(bÇ”)償時(shí)，即m=0，必須要求移相占空比Dα<0.5，這就是理論上不加補(bÇ”)償時(shí)，移相占空比Dα>0.5時(shí)系統(tÇ’ng)將不穩(wÄ›n)定；在控制工程實(shí)際中，補(bÇ”)償斜率m一般取為m=（0.7～0.8）m2，這樣既保證了系統(tÇ’ng)符合穩(wÄ›n)定條件，又保證了系統(tÇ’ng)å‹•(dòng)æ…‹(tài)指標(biāo)。 5 實(shí)é©—(yàn)結(jié)æžœ 綜合考慮以上分析，研制了一臺(tái)250W帶輸出飽和電感的三電平ZVS直流變換器。并比較了加入飽和電感和不加飽和電感時(shí)的特性。樣機(jÄ«)的實(shí)é©—(yàn)參數(shù)如下： V[sub]in[/sub]=300 Vï¼› f=100 kHzï¼› V[sub]o[/sub]=47～ 50 Vï¼› I[sub]o[/sub]=5 A [img=362,220]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-9.jpg[/img] 從實(shí)é©—(yàn)波形圖5、圖6可以看到，在負(fù)載為5ï¼…Io的輕載條件下，超前和滯后橋臂基本可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，并且波形比較干凈，說明開關(guān)干擾很小，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。同時(shí)é–‹é—œ(guān)管的電壓應(yÄ«ng)力僅為輸入電壓的一半，約150V。說明變換器順利實(shí)現(xiàn)了ZVS三電平。 圖7、圖8比較了不帶飽和電感和帶飽和電感時(shí)輸出二極管的波形（Io=5A）。可以看到，實(shí)際波形和理論分析相符合，加入飽和電感時(shí)有效降低了輸出電壓尖峰振蕩，輸出特性穩(wÄ›n)定，防止了輸出二極管的過沖損壞。 圖9是帶飽和電感原邊電壓波形（Io=5A），波形與ZVS三電平理論分析一致。 [align=center][img=323,150]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-4.jpg[/img] [img=323,151]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-5.jpg[/img] [img=323,153]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-6.jpg[/img] [img=320,155]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-7.jpg[/img] [img=323,159]http://www.bjx.com.cn/files/wx/dyjsyy/2003-3/44-8.jpg[/img][/align] 測(cè)試了此樣機(jÄ«)的效率特性，如圖10所示，比較了帶飽和電感和不帶飽和電感時(shí)的效率曲線。加輸出飽和電感時(shí)，整機(jÄ«)效率要提高1％～3％。這是因?yàn)榇砰_é—œ(guān)的作用，它減小了副邊二極管的寄生振蕩，阻止二極管的反向恢復(fù)電流。同時(shí)，由于在輸出依靠外加續(xù)流二極管續(xù)流，諧振電感可以相應(yÄ«ng)得到減少，減小了副邊占空比丟失，這樣也降低了原邊換流時(shí)的損耗。另外證明加入的鈷基非晶磁芯損耗很小。 6 結(jié)語 本文提出了改進(jìn)åž‹ZVS三電平直流變換器。理論和實(shí)é©—(yàn)證明，采用輸出飽和電感啟動(dòng)勵(lì)磁電感，同時(shí)配合輸入諧振電感實(shí)現(xiàn)ZVS三電平的新型電路，是一種簡(jiÇŽn)單、可靠、經(jÄ«ng)æ¿Ÿ(jì)實(shí)用的零電壓直流變換器。 1）配合零電壓軟開關(guān)和三電平電路，集合它們的各自優(yōu)å‹¢(shì)，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVSï¼› 2）有效降低輸出二極管的電壓尖峰和寄生振蕩，減少副邊占空比丟失，提高效率； 3）容易實(shí)現(xiàn)峰值電流型的移相控制，控制策略簡(jiÇŽn)單，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男甭恃a(bÇ”)償，就可提高系統(tÇ’ng)ç©©(wÄ›n)定性。 [b]參考文獻(xiàn) [/b] [1]J.RenesPinheriroandIvoBarbi.ThethreelevelZVSPWMconverterAnewconceptinhighvoltagedctodcconversion[C].IEEEIECON,1992:173－178. 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