三電平正反激直直變換器的研究*

竇友婷，馬海嘯，葉海云

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210046）

三電平正反激直直變換器的研究*

竇友婷，馬海嘯，葉海云

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210046）

隨著高工作的主電壓、大功率技術(shù)的迅速發(fā)展，集成化和高頻化一直都是電力電子學(xué)追求的目標(biāo)。在直直變換器中，傳統(tǒng)的三電平變換器雖減小了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，但電路功率密度較小。正反激變換器中變壓器利用率高，但輸入電壓范圍有限。提出了一種三電平正反激直直變換電路拓?fù)?，把正反激電路和三電平電路組合在一起，不僅拓寬了變換器輸入電壓范圍，增大了變換器的變換功率，同時提高了變壓器的利用率。另外，變壓器采用磁集成技術(shù)，將原有的兩鐵芯四繞組變壓器集成為一鐵芯四繞組變壓器，減小了變壓器體積重量，提高了變換器的功率密度。

三電平；正反激；集成變壓器；直直變換器

0 引言

電氣隔離直直變換器中，正激式變換電路功率大，可靠度高，但其變壓器需要磁芯復(fù)位，并且多了一個續(xù)流二極管，使電路的器件多，增大成本；反激式變換電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但其峰值電流較大，輸出電壓紋波大。所以，正反激組合變換器應(yīng)運而生，相繼出現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換正反激直直變換器、有源箝位正反激變換器等，但其都對電壓和功率等級有限制，適合中小功率的場合。

隨著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，三電平變換器應(yīng)運而生，從而降低了開關(guān)器件的電壓等級。文獻[2]給出了改進的三電平直直變換器，在變壓器原邊增加一對電感，減小電路占空比丟失，提高了效率，然而電路的功率密度較小。文獻[3]提出了新的三電平拓?fù)?，增加了兩個開關(guān)管，減小了輸出濾波電感，但電路較復(fù)雜，成本過高。

本文將三電平技術(shù)與正反激電路結(jié)合起來，組成三電平正反激直直變換器。由于正反激的結(jié)合，省去了較大的濾波電感，提高了變換器的功率密度。同時利用磁集成技術(shù)，將四個繞組集成在同一磁芯上，構(gòu)成一個同時具有正激和反激作用的變壓器，有效地提高了變壓器磁芯利用率，增大了電路效率。

1 工作原理

圖1示出三電平正反激直直變換器的主電路拓?fù)洹?/p>

為了分析方便，假定除了開關(guān)管 S1～S4內(nèi)的結(jié)電容外，所有的半導(dǎo)體器件都是理想器件，箝位電容C1、C2和濾波電容Co足夠大，電路處于穩(wěn)態(tài)。

下面以圖1為基礎(chǔ)，對其各個工作模態(tài)進行分析。該電路拓?fù)湓谝粋€變換周期內(nèi)可分為14種工作模態(tài)，由于移相控制的對稱性，在此分析了前八個工作模態(tài)。

圖1 三電平正反激主電路拓?fù)?/p>

模態(tài)1[t0，t1]：開關(guān)管S1、S2的柵源電壓為高電平，S1、S2處于導(dǎo)通狀態(tài)； 開關(guān)管 S3、S4的柵源電壓為零，S3、S4處于關(guān)斷狀態(tài)。此時，電流從電源的正極流出，流經(jīng)開關(guān)管 S1、S2，分別再經(jīng)過變壓器原邊繞組流向分壓電容和經(jīng)過輔助電感流向飛跨電容，二極管Do1導(dǎo)通，二極管Do2斷開，Lp1和 Ls1工作于正激狀態(tài)，Lp2和 Ls2儲存能量工作于反激模式，輸出電壓即為 Ls1兩端的電壓。

模態(tài) 2[t1，t2]：給開關(guān)管S1斷開信號，S2繼續(xù)導(dǎo)通，飛跨電容 Cs1的電壓通過 S2加在了諧振電感 Lr上，使得有足夠的能量實現(xiàn)軟開關(guān)，變壓器的原邊電流從S1轉(zhuǎn)移到S1內(nèi)的結(jié)電容和S4內(nèi)的結(jié)電容的支路中，給S1內(nèi)的結(jié)電容充電，同時通過飛跨電容 Cs2給 S4內(nèi)的結(jié)電容放電，由此體現(xiàn)了軟開關(guān)，原邊電壓下降。

模態(tài) 3[t2，t3]：開關(guān)管 S4兩端電壓降為零，內(nèi)二極管導(dǎo)通，原邊電流可近似看作恒定值，所以，S1兩端電壓由零線性上升到 Uin/2，零電壓斷開，二極管 Do1、Do2都導(dǎo)通，Lp2和 Ls2儲存的能量經(jīng) Do2釋放給負(fù)載，S2繼續(xù)導(dǎo)通，原邊電壓下降為零。

模態(tài) 4[t3，t4]：開關(guān)管 S4零電壓導(dǎo)通，S2仍繼續(xù)導(dǎo)通，原級電流直線下降，二極管 Do1上電流下降，二極管Do2上電流上升。

模態(tài) 5[t4，t5]：開關(guān)管 S4繼續(xù)導(dǎo)通，給 S2斷開信號，此時，利用變壓器原邊電流給開關(guān)S2內(nèi)的結(jié)電容充電，同時S3內(nèi)的結(jié)電容放電，為零電壓開關(guān)作鋪墊，原邊電壓由零反向增大。

模態(tài) 6[t5，t6]：開關(guān)管 S4仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，S3兩端的電壓減小到零，內(nèi)二極管導(dǎo)通，開關(guān)S2兩端電壓由零線性上升到Uin/2，S2零電壓斷開，原邊電壓反向增加到Uin/2。

模態(tài) 7[t6，t7]：開關(guān)管 S3零電壓導(dǎo)通，飛跨電容 Cs2的電壓通過S3加在了諧振電感Lr上，此時刻跟模態(tài)6相一致。

模態(tài) 8[t7，t8]：二極管 Do1電流下降為零，二極管斷開，此時 Lp1和 Ls1工作于反激狀態(tài)，存儲能量，Lp2和 Ls2工作于正激狀態(tài)，循環(huán)以上的模態(tài)。

對應(yīng)工作模態(tài)的關(guān)鍵波形如圖2所示，給出了整個周期對應(yīng)驅(qū)動信號和變壓器原邊的電壓波形。圖3為各個模態(tài)的等效電路，圖中（a）～（h）八個工作模態(tài)與所分析的相對應(yīng)。

圖2 電路的主要波形圖

2 變壓器的設(shè)計

本文提出的三電平正反激直直變換器中集成變壓器的設(shè)計如圖4所示，第一原邊繞組(Lp1)對應(yīng)的第一副邊繞組(Ls1)，第二原邊繞組(Lp2)對應(yīng)第二副邊繞組(Ls2)。

若給定輸入電壓為 Uin，輸出電壓為Uo，輸出功率為Po，開關(guān)頻率為 f。

根據(jù)式：

式中，N為變壓器原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)之比，D為占空比，所以根據(jù)給定條件，并要求考慮到占空比的丟失，從而可以確定變壓器的匝比。

根據(jù)AP(磁芯窗口面積乘積)值法：

其中，Ae為磁芯有效的截面積，Aw磁芯窗口面積，系數(shù)k取0.014，按100 mW/cm3的功率損耗，ΔB為0.065 T，fs取設(shè)定頻率250 kHz，經(jīng)計算再查磁芯資料，選材適合的磁芯。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，計算每個副邊匝數(shù)N2。

其中，由所選的磁芯材料可知磁通密度B和磁芯有效的截面積Ae的取值，則由式(3)就可得知副邊匝數(shù) N2為多少，繼而由式(1)易得原邊匝數(shù)。

根據(jù)上述的分析，現(xiàn)以 400 V的輸入電壓，20 V的輸出電壓，300 W 的功率密度以及開關(guān)頻率為 125 kHz為具體示例，結(jié)合傳統(tǒng)的三電平直直變換電路拓?fù)?，針對電路的功率密度進行比較，如表1所示。

從表1中可以看出，本文提出的三電平正反激直直變換器中通過磁集成技術(shù)設(shè)計的變壓器，不僅電路的質(zhì)量體積都有所較小，而且省去了較大的濾波電感，提高了變換器的功率密度。

圖3 電路的各個模態(tài)等效拓?fù)?/p>

圖4 集成變壓器的示意圖

表1 電路參數(shù)設(shè)計對比

3 仿真波形驗證

根據(jù)以上的理論分析，利用 Saber電源仿真軟件，以圖1所示的拓?fù)錇殡娐纺Ｐ停捎靡葡嗫刂频姆椒?qū)動開關(guān)管，驗證以上的原理分析。仿真的參數(shù)如表2所示。

表2 電路仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖5所示，給出了三電平正反激電路拓?fù)涞乃膫€開關(guān)管的驅(qū)動信號、變壓器原邊電壓和輸出電壓的仿真波形圖，由此可看出，與上述理論分析相符。

圖5 電路主要仿真波形

4 結(jié)束語

綜上，所提出的三電平正反激直直變換電路拓?fù)?，有以下?yōu)點：三電平技術(shù)與正反激變換器結(jié)合，提高了電路的輸入電壓和功率變換等級；變壓器由一個鐵芯及四個繞組集成而成，相當(dāng)于兩個變壓器級聯(lián)，它們交替地工作在正激狀態(tài)和反激狀態(tài)，提高了變壓器的利用率；電路中不需要較大的輸出濾波電感，提高了電路的功率密度。

[1]HUA G，LEE F C，JOVANOVIC M M.An improved fullbridge zero-voltage-switched pwm converter using a saturable inductor[J].IEEE PESC，1991：189-194.

[2]JANG Y，JOVANOVIC M M.A new three-level soft-switched converter[J].IEEE Trans.Power Electron.，2005，20(1)：75-81，Jan.

[3]Liu F，Yan J，Ruan X.Zero-voltage and zero-currentswitching PWM combined three-level DC/DC converter[J]. IEEE Trans.Ind.Electron.，2010，57(5)：1644-1654.

[4]周振軍，李磊，杭靜宇，等．一種新型三電平智能變壓器的研究[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2013(5)：65-68．

Research on three-level forward-flyback DC/DC converter

Dou Youting，Ma Haixiao，Ye Haiyun
(Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210046，China)

With the rapid development of high voltage and high-power technology,integration and high-frequency have always been the pursuit of a goal in the power electronics.The conventional three-level converter can decrease the switch voltage stress,but the circuit has low power density.Forward-flyback converter with high magnetic core utility ratio can limit the input-voltage range. In this paper,a novel three-level forward-flyback DC/DC converter which combines the forward-flyback with the three-level is proposed for wide input voltage range and high transform power.In addition,the advanced magnetic integration technology can be employed to integrate the four windings into a magnetic core,which decreases the volume and quality of the transformer and further improves the power density.

three-level；forward-flyback；integrated transformer；DC/DC converter

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.040

竇友婷，馬海嘯，葉海云.三電平正反激直直變換器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：144-146，150.

英文引用格式：Dou Youting，Ma Haixiao，Ye Haiyun.Research on three-level forward-flyback DC/DC converter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：144-146，150.

2015-09-16)

竇友婷（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：先進的功率變換與控制。

馬海嘯（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動。

葉海云（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動。

國家自然科學(xué)基金（51107057）