一種新型零電流三電平Buck變換器的研究*

侯世英，林 茂，劉早晨，嵇麗明

(重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400030)

小型化、輕量化是電力電子裝置的必然發(fā)展方向。1981年日本學(xué)者提出了中點箝位逆變器；1992年巴西學(xué)者提出了一種基于二極管鉗位多電平逆變電路拓撲的三電平DC-DC變換器。由于該變換器可做三相PFC后級DC-DC變換器，因此許多學(xué)者提出了改進型拓撲結(jié)構(gòu)，針對改進拓撲的控制策略做了相應(yīng)的研究。另外，也有學(xué)者對該電路的軟開關(guān)實驗做了大量研究[1-4]。但這些軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致控制電路寵大，應(yīng)用范圍受到極大的限制。

[5]提出了一種新型的零電壓開關(guān)多諧振三電平變換器。其特點是：開關(guān)器件均工作在零電壓狀態(tài)；諧振電感一直導(dǎo)通，通態(tài)損耗較大；并聯(lián)諧振電容電壓為輸入電壓的2倍。

針對該電路的這些特點，對其進行改進。圖1(a）所示開關(guān)諧振單元為參考文獻[5]中的零電壓多諧振開關(guān)單元，采用圖1(b)的改進開關(guān)單元來代替。

圖1 2種諧振開關(guān)單元

將圖1(b)所示的諧振單元應(yīng)用于三電平Buck變換器中，并詳細分析了用于三電平Buck變換器的工作原理、軟開關(guān)工作方式，并進行了仿真研究。仿真結(jié)果驗證了工作原理的正確性，同時具有良好的工作性能。

1 工作原理

圖2所示為新型 ZCS TL Buck變換器。其中 S1、S2為主開關(guān)，Sa1、Sa2為輔助開關(guān)，DS1、DS2、DSa1、DSa2分別為 2個主開關(guān)和 2個輔助開關(guān)的寄生二極管，D1、D2為主續(xù)流二極管，Da1、Da2為輔助續(xù)流二 極管，Lr1、Lr2、Lar1、Lar2為諧振電感，Cr1、Cr2為諧振電容。

圖2 新型ZCS TL Buck變換器

新型ZCS TL Buck變換器的工作原理：假定變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，并且假設(shè)在1個周期有：

(1)Lf足夠大 ，遠大于諧振 電感 ， 且 Lr1＝Lr2＝Lr，Lar1＝Lar2=Lar。 因此，Io可視為電流源。

(2)Cf足夠大，輸出電壓Vo可視為常數(shù)。

(3)Vin為常數(shù)，電容 C1、C2足夠大，遠大于 Cr1、Cr2，且C1＝C2，Cr1＝Cr2＝Cr。所以電容 C1、C2電壓均為 Vin/2。

(4)主開關(guān)導(dǎo)通前處于續(xù)流通道上的諧振電感Lr1或Lr2的電流等于 Io，Cr電壓為零。

基于以上假設(shè)，新型ZCS TL Buck變換器在1個周期的工作狀態(tài)可以分為18個模態(tài)，因三電平技術(shù)的對稱性，分析其中1個諧振單元即可。在此詳細分析由S1、Sa1、Lr1、Lar1、Cr1、D1、Da1所組成的諧振單元的工作原理，此開關(guān)單元可分為9個模態(tài)，各模態(tài)等效電路如圖3所示；新型ZCS TL Buck變換器的理想波形如圖4所示。

模態(tài) 1 [t0，t1]如圖3(a)所示：在 t0時刻之前，主開關(guān)S1和輔助開關(guān) Sa1均關(guān)斷，電流 Io流過 Lr1、D1、Da1和 Lr2、D2、Da2。Lr1的電流等于 Io，電壓為零，Cr1的電流電壓均為零。t0時刻，S1導(dǎo)通，Lr1兩端的電壓為Vin/2，諧振電感電流從Io開始下降，S1的電流從零開始以同樣的速度上升，為零電流導(dǎo)通。流過 D1、Da1的電流以同樣的速度減小，Lr2、D2、Da2中的電流仍為 Io，以 C1、C2、Vin、DS1負載為回路。當(dāng)主開關(guān)的電流為Io，電感電流為零時，該模態(tài)結(jié)束：

圖3 新型ZCS TL Buck變換器各模態(tài)等效電路

圖4 主要波形

模態(tài) 2 [t1，t2]如圖3(b)所示：在這個模態(tài)中，電流 Io繼續(xù)流過主開關(guān)S1，其他的半導(dǎo)體均處于關(guān)斷狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)該模態(tài)的占空比，可以對輸出電壓Vo進行調(diào)節(jié)。當(dāng)電容電壓上升到Vin/2時，該模態(tài)結(jié)束：

D為控制占空比，Ts=1/fs為開關(guān)周期，fs為開關(guān)頻率。

模態(tài) 3 [t2，t3]如圖3(c)所示：t3時刻 Sa1導(dǎo)通，Lar1、Cr1經(jīng)過Sa1、Cr1開始諧振，Lar1的電流與 Sa1電流為零， 所以Sa1為零電流導(dǎo)通。當(dāng)uCr1(t)=Vin/2時，該模態(tài)結(jié)束：

其中：Zr1、ωr1為 Lar1、Cr1的諧振阻抗與角頻率：

模態(tài) 4 [t3，t4]如圖3(d)所示：當(dāng) uCr1(t)=Vin時，DS1導(dǎo)通，此時與 Cr1開始諧振，iLr1(t)從零開始上升繼續(xù)上升，iLar1(t)開始下降 。 當(dāng)iLr1(t)為零時，該模態(tài)結(jié)束：

其中：ωr2為 Lr1、Lar1、Cr1的諧振角頻率：

模態(tài) 5 [t4，t5]如圖3(e)所示：t4時刻，iLr1(t)等于輸出電流，DS1導(dǎo)通，主開關(guān)的電壓為零，此時關(guān)斷主開關(guān)即可實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。當(dāng)iLar1(t)為零時，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài) 6 [t5，t6]如圖3(f)所示：t5時刻 DSa1導(dǎo)通，輔助開關(guān)的電壓為零，此時關(guān)斷輔助開關(guān)即可實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。當(dāng)再次到零時，該模態(tài)結(jié)束：

模態(tài) 7 [t6，t7]如圖3(g)所示：t7時刻 DSa1關(guān)斷，輔助開關(guān)為零電流關(guān)斷，Lr1與Cr1發(fā)生諧振。當(dāng)Lr1的電流為零時，該模態(tài)結(jié)束：

其中：Zr3、ωr3為 Lr1、Cr1的諧振阻抗與角頻率：

模態(tài) 8 [t7，t8]如圖3(h)所示：t8時 DS1關(guān)斷，主開關(guān)為零電流關(guān)斷，輸出電流流過 Da1、Lr1及 Cr1，并向諧振電容放電。當(dāng)線性下降到零時，該模態(tài)結(jié)束：

模態(tài) 9 [t8，t9]如圖3(i)所示：t9時刻諧振電容電壓減小到零，Da1導(dǎo)通，輸出電流流過二極管 Da1、D1，直到下個周期開始，該模態(tài)結(jié)束：

半個周期到后，另一個諧振單元進行相似工作，如此一直工作下去。

2 軟開關(guān)實現(xiàn)條件及最大占空比

由式(13)、(14)和圖4可知，要實現(xiàn)軟開關(guān)，則諧振電感Lar1電流為零時，電感Lr1的電流應(yīng)該大于輸出電流Io，并且諧振電容的電壓應(yīng)該大于零。所以需要滿足：

3 仿真驗證

通過仿真軟件對新型ZCS TL Buck變換器進行了仿真分析。參數(shù)設(shè)置：輸入電壓Vin=12 V，額定輸出電壓uo=3.3 V，開關(guān)頻率 fs=40 kHz，諧振電感 Lr=200 nH，Lar=200 nH，諧振電容Cr=80 nF。圖5分別給出了主開關(guān)S1、S2電壓電流波形。

圖5 主開關(guān) S1、S2波形

本文提出了一種新型ZCS TL Buck變換器，詳細分析了該變換器的工作原理，其主開關(guān)和輔助開關(guān)均為零電流時的開斷，主續(xù)流二極管及輔助續(xù)流二極管均工作在零電壓狀態(tài)。主開關(guān)和輔助開關(guān)的電壓應(yīng)力僅為電源的一半。仿真結(jié)果驗證了該新型拓撲控制的正確性和可行性。

參考文獻

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