一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究
摘要：介绍了一种带输出饱和电感的绕行电感移相零电压开关PWM三电平直流变换器，与传统的零电压三电平比较，它具有在较宽负载范围内实现零电压软开关；减小副边占空比丢失；减小输出二极管的寄生振荡及电压尖峰等特点。实验样机表明，该电路整机效率高，采用电流峰值控制后，系统的稳定性高，易于实现中大功率DC/DC变换。
关键词：饱和电感；零电压开关；三电平
A Zero-Voltage- Switching PWM Three- level DC/DC Converter Using Output Saturable Inductor
LIU Xue- chao, PAN Hong, ZHANG Bo
Abstract:A novel phase- shift zero-voltage- switching PWM three- level DC/DC converter is introduced which contains two output saturable inductors, thus it can realize ZVS in wide output power range, reduce the secondary duty cycle loss and clamp the parasitic oscillation and voltage spike of the output diode. The prototype experimental results verify the DC/DC converter has a good efficiency and a high stability with the use of peak current control, which can realize high power可调电感器 conversion.
Keywords: Saturable inductor; Zero-voltage- switching; Three- level
1 引言
目前，在中大功率通信DC/DC电源中，三电平直流变换器（Three-Level DC/DC Converter）成为研究的热点[1][2]，该拓扑可以使开关管电压应力为输入直流电压的一半，这在有三相PFC输入的场合（输出直流一般为760～850V）是一个极大的优势，它可使低压开关器件用于高压上。实际上，三电平电路是半桥电路的延伸，但与半桥电路的硬开关相比，三电平变换器巧妙结合移相电路的特点，利用变压器漏感（或外加谐振电感）和开关管的寄生结电容谐振实现开关管的ZVS。
与传统的移相全桥ZVS软开关一样，对于滞后臂软开关，传统的移相ZVS三电平很难在轻载时实现ZVS，并且存在占空比丢失的问题。针对ZVS三模压电感电平电路的不足，提出了零电压零电流（ZVZCS）三电平变换器[3]，其中两只实现开关管的ZVS，另外的两只实现开关管的ZCS。但是，电路均会由于输出绕行电感器二极管存在反向恢复问题，而引起输出电压振荡，使二极管承受很高的电压尖峰，而易损坏。
本文提出一种带输出饱和电感及续流二极管的改进型ZVS三电平变换器。250W样机实验结果证明，它有效地克服了ZVS电路的不足之处，把三电平变换器和移相控制很好地结合在一起。与传统ZVS三电平比较，成本并不会提高很多，易于实现中大功率变换。本文将首先阐明它的工作原理，然后提出饱和电感的设计思路，以及峰值电流控制模式的稳定性分析，最后给出了实验的结果和波形。
2 工作原理
图1中，Q1和Q4是超前桥臂，Q2和Q3是滞后桥臂，Cs是飞跨电容，Dc1和Dc2是箝位二极管，Lr为谐振电感，Ls1和Ls2为输出饱和电感，Ds为续流二极管。与传统的ZVS三电平比较，它增加了次级饱和电感Ls1、Ls2和输出续流二极管Ds。
图1 改进ZVS三电平电路
一般移相三电平在一个完整的开关周期有12个开关状态，除了正半周和副半周的2个功率输出过程和2个箝位续流过程外，还有超前臂工作期间从死区时间开始的谐振和换流过程，以及滞后臂工作期间从死区时间开始的谐振和换流过程。
为了实现ZVS软开关，超前及滞后臂都必须有足够的电感量来吸收开关一体电感管寄生电容和变压器分布电容上的电荷，如下式
LI2>
Cmos
＋Ctr
（1）
式中:L为总的参与谐振的电感；
Cmos为两个开关管寄生电容的等效值；
Ctr为变压器分布电容等效值。
三电平零电压超前桥臂由于有励磁电感和输出电感折算值n2Lf参与谐振，因此有足够的能量在很宽范围内实现超前臂ZVS。但是，传统ZVS三电平在滞后臂谐振的时候两输出整流二极管同时处于续流状态，只有原边的谐振电感Lr参与谐振，输出电感和励磁电感都不参与谐振换流。由于Lr《n2Lf，相对于超前臂而言，滞后臂很难在宽范围内实现ZVS，同时在换流过程，ZVS电路会发生副边占空比丢失。 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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