副邊調制三電平軟開關直流變換器

石 勇， 惠 濟， 桂旭偉， 王 鑫

(陜西科技大學 電氣與控制工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

高壓直流變換器可廣泛應用于三相功率因數校正、智能電網及可再生發(fā)電系統(tǒng)等工業(yè)領域[1-3].通常情況下，高壓直流變換器的輸入電壓超過800 V，給原邊開關器件的設計和選型帶來很大的困難，如何降低該類變換器原邊開關器件的電壓應力成為學術界的關注熱點[1].為了解決這一問題，巴西學者在1992年提出了二極管箝位三電平變換器.隨后，學者們在三電平直流變換器領域發(fā)表了很多優(yōu)秀的研究成果，諸如新型電路拓撲[1-7]、寬范圍軟開關技術[8-17]及高壓直流變換中的工程設計問題[18].這些研究成果極大的促進了三電平直流變換器的實用化進程.

傳統(tǒng)的三電平直流變換器的輸出濾波器前的電壓波形是兩電平波形，輸出電壓諧波含量較大，需要較大的輸出濾波電感抑制流過該電感的電流紋波.較大的輸出濾波電感在增加裝置體積的同時，降低變換器的動態(tài)響應速度[13].

為解決上述問題，本文提出一種4開關三電平軟開關直流變換器，該變換器具有如下特點：原邊開關數少且結構緊湊；原邊所有開關器件承受Vin/2的電壓應力，且不需要額外的均壓器件；原邊開關可實現寬范圍零電壓開通；輸出濾波器前的電壓波形為三電平，可有效減小輸出濾波器的體積.文中分析了電路的工作原理及軟開關特性，并進行比較研究和實驗驗證.實驗結果表明該電路工作原理正確，可正常工作.

1 電路結構及其工作原理

1.1 電路結構

圖1為副邊調制三電平直流變換器的拓撲結構.該變換器的4個原邊開關器件直接串聯，其關斷時承受的電壓應力由輸入電容Cin1和Cin2均衡，不需要額外的均壓器件，因此該變換器的原邊電路結構簡單緊湊.輸入電容Cin1和Cin2的容值相等且足夠大，工作時可忽略其電壓紋波.高頻變壓器含有1個原邊線圈和4個副邊線圈，其變比為kT1和kT2.CBL是原邊隔直電容，該電容儲存能量在半個開關周期內為負載供電.Llk是變壓器漏感，該電感儲能可輔助原邊開關實現零電壓開關.Lm是激磁電感，在本文中激磁電感設計為特定值可保證原邊開關在全范圍實現軟開關.Sse1和Sse2是副邊調制開關，Do1到Do4是輸出整流二極管.輸出濾波器由Lo和Co構成，Ro是輸出電阻.

圖1 副邊調制三電平軟開關直流變換器

1.2 工作原理

圖2是該電路的典型波形.電路在工作時，有12個基本工作狀態(tài)，圖3所示為前半個周期的工作狀態(tài).分析前作如下假設：Cin1、Cin2和CBL上的電壓紋波可以忽略；kT′=(kT1*kT2)/(kT1+kT2); 輸出濾波器和輸出電阻等效為電流源；原邊開關的輸出電容等效為Cos.

圖2 電路的典型波形

開關狀態(tài)1 [如圖3(a)所示]：t0時刻前,電路穩(wěn)定工作，變壓器原邊給負載提供能量.S1、S4、Do2及Sse2導通.因為Do4關斷，所以流過Sse2的電流為零；vBC= Vin/2； S2和S3的關斷電壓被Cin1和Cin2鉗位至Vin/2；vrect=Vin/2kT2;ip=Io/kT2；iLlk=ip+im；im線性增加，其斜率為

(1)

開關狀態(tài)2 [如圖3(b)所示,t0-t1]：t0時刻,Sse2零電流關斷，變壓器原邊給負載提供能量.vBC=Vin/2；vrect=Vin/2kT2；ip=Io/kT2；iLlk=ip+im；im繼續(xù)增加.

開關狀態(tài)3 [如圖3(c)所示,t1-t2]：t1時刻，Sse1和Do1導通，Do2關斷；變壓器原邊給負載提供能量；vBC=Vin/2；vrect=Vin/2kT′；ip=Io/kT′；iLlk=ip+im；im線性增加.

開關狀態(tài)4 [如圖3(d)所示,t2-t4]：t2時刻， S1和S4同時關斷，由于輸出電容的存在，關斷損耗將大幅降低.iLlk給C1和C4線性充電的同時給C2和C3線性放電.當vrect等于0,本階段結束B、C點的電壓可由式(2)、(3)和(6)計算,其值為3Vin/4和Vin/4.本階段的持續(xù)時間為

(2)

開關狀態(tài)5 [如圖3(e)所示,t4-t5]:t4時刻，D2和D3導通，電路工作在續(xù)流模式.Llk承受負壓，iLlk開始下降，S2和S3在t4時刻后可實現零電壓開通.由圖2所示,S2和S3在t5時刻開通.

開關狀態(tài)6 [如圖3(f)所示,t5-t6]:t5時刻，S2和S3零電壓導通；ip反向增加.當ip等于-Io/kT2，續(xù)流階段結束.變壓器原邊給負載提供能量.t6時刻后，vBC= -Vin/2；vrect=-Vin/2kT2；ip=-Io/kT2；iLlk等于ip和im之和.Do1承受反壓關斷，流過Sse1電流為零.本開關狀態(tài)后，電路工作在下半開關周期，其原理不再贅述.

(a)t0時刻前

(b)t0-t1

(c)t1-t2

(d)t2-t4

(e)t4-t5

(f)t5-t6圖3 電路的基本工作狀態(tài)

2 軟開關特性

2.1 原邊開關的零電壓開通

在適當的激磁電流取值下，本文所提出的電路可實現原邊開關寬范圍零電壓開通.以S3為例，圖3(d)為該時刻的電路等效圖，當vrect大于0時，輸出電感儲能仍然可以給原邊開關結電容充放電，如前文闡述，原邊開關輸出電容上的儲能有50%的已經被釋放.當vrect大于0時，僅有50%的電容儲能需要釋放.在零負載電流條件下，S3實現零電壓開通條件是

(3)

(3)可簡化為

(4)

im的峰峰值為

(5)

Im是

(6)

將式(6)代入式(4)可得

(7)

圖4為滿足寬范圍零電壓開關的激磁電感取值曲線.需要指出的是，電路中激磁電流峰值隨直流母線電壓的增加而增加，因此本變換器在高輸入電壓條件下依然可保持較寬的軟開關范圍.

(a)TS不變

(b)Llk不變

(c)Cos不變圖4 滿足全范圍零電壓開通Lm的取值曲線

2.2 副邊開關的零電流關斷

如圖3所示，所有副邊開關均可實現零電流關斷，且與負載大小無關.以Sse2為例分析，如圖3(a)所示，Sse2的控制信號為高電平，但是Do4承受反壓關斷，因而流過Sse2的電流為零.如圖3(b)所示，Sse2可實現零電流關斷.

3 比較研究

文獻[9]中提出的4開關三電平變換器如圖5所示.表1～3給出了本文電路和文獻[9]中提出的4開關三電平變換器的比較.如表1所示，本文電路具有較少的原邊器件數量，因此，原邊高壓電路結構簡單緊湊.與此同時，原邊器件直接與輸入電容連接，可有效減小輸入電容和原邊開關器件之間的回路面積及相關寄生電感值，以保證原邊開關器件的可靠工作.

圖5 文獻[9]提出的三電平直流變換器

項目本文電路文獻[9]中電路 原邊器件開關44箝位二極管02飛跨電容02隔直電容10輸入電容 22原邊線圈12副邊器件整流二極管42副邊線圈44副邊開關20

表2顯示了原邊器件的電壓電流定額.這兩個變換器雖然都只有4個開關器件，但是，文獻[9]中開關器件的電流應力分布不均衡，會增加器件選擇和散熱器設計的復雜程度，本文電路所需要的硅片面積也相對較小.從表3可以看出，本文電路中的原邊開關器件具有更寬的零電壓開通范圍.

表2 器件的電壓電流定額比較

表3 軟開關范圍比較

4 實驗結果及分析

本文搭建了實驗裝置驗證所提出電路的工作原理，實驗裝置的參數如下：輸入電壓范圍為600～800 V；輸出電壓25 V；輸出電流100 A；開關頻率為20 kHz；原邊開關(IGBT) 參數為75 A/600 V；副邊開關 (MOSFET)參數為200 A/60 V*4；整流二極管參數為400 A/200 V*2；kT1=24，kT2=8；Lo=7μH；Co=1 000μF.

為驗證本文所示電路的工作性能，在效率測試中，將文獻[9]中電路和本文電路進行對比研究.效率測試實驗條件為：輸入電壓為600 V，輸出電壓為25 V，輸出電流范圍為10～100 A.圖6和圖7給出實驗結果.

由圖6(a)可知，原邊開關電壓應力為Vin/2.如圖6(b)所示，變壓器原邊線圈承受的電壓為Vin/2.由于im被放大幫助原邊開關實現ZVS，變壓器原邊電流在半個開關周期內不再是定值，由于im與負載電流不同相位，因此增加的通態(tài)損耗也比較小.同時，原邊占空比為100%，因此本電路不存在原邊環(huán)流電流，原邊電路通態(tài)損耗大大降低.如圖6(c)所示，副邊整流電壓波形為三電平波形，以此輸出電感的體積可大幅下降.輸出電壓通過副邊開關調節(jié)，輸入電流紋波也有所降低，因此，輸入濾波器的體積也會減小.本文電路的軟開關特性在10%負載電流條件下進行了測試，如圖6(d)所示，原邊開關可在較寬的范圍內實現軟開關.由圖6(e)可知，副邊開關可實現零電流關斷.

圖7是效率曲線，效率測試在600 V輸入條件下進行.由圖7可知，與文獻[9]中電路相比，本文電路在全負載范圍內具有較好的效率特性.

(a)S1和S3的漏源電壓波形

(c)輸出電感電流和副邊整流電壓波形

(d)S1的漏源電壓波形和驅動電壓波形

(e)Sa1的漏源電壓波形和電流波形圖6 實驗波形

圖7 效率測試曲線

5 結論

本文提出了一種4開關三電平軟開關直流變換器，文中分析了電路的基本工作原理和特性，并進行了實驗研究.實驗結果表明該電路工作原理正確，可以正常工作.該電路具有如下特點：原邊電路結構簡單、緊湊；輸出濾波器前電壓波形為三電平，具有較小的輸出濾波器體積；原邊開關在寬范圍內可實現零電壓開通；輸入電流連續(xù)，具有較小的輸入濾波器體積.