改进型倍流整流式ZVS三电平DC—DC变换器

关 键 词 ： 电 平 变 换 器 ； 助 网 络 ； 电 压 开 关 ； 流 整 流 三 辅 零 倍
中 图分 类 号 ：Ｍ ４ Ｔ ６
文 献 标 志码 ： Ａ
文章 编 号 ：Ｎ１— ４ ０ ２ １ ）５ ０ ２ — ７ Ｃ ２ １２ （０ １０ — ０ ５ ０
引 言
近 年来 ， 着个 人 电子 计算 机 、 随 通信 电源 、 小 微
２ ／０Ａ， ０ ｋ ｚ的实 验 样 机 对 变 换 器 原 理 进 行 ４ Ｖ １ ８ Ｈ 了验 证 。
重 的 电磁 干 扰 等 。在 这 种 情况 下 ， 软开 关 技 术 应 运
而生 ㈣ 。
为 了使 电气 设 备更 加 绿 色 环保 ， 些 世 界 性 的 一 学术 组 织 制定 了一 些 限制 输 人 电流谐 波 的标 准 ， 为 了 达 到这 些标 准 。广 泛 采 用 了功 率 因数 校正 技 术 ， 但 采 用这 项 技术 后 ，直 流母 线 电压 通 常会 达 到 ８ ０ ０
通 。此 时 ＝ ， 隔 电容 上 电压 凸使 减 小 ， Ｏ阻 副边 电流 ｉ也 随之 减 小 ， 因此 。 始 导 通 ， 于 Ｄ 开 由 ｍ和
Ｄ 同时导 通 ， 砣 变压 器 副 边 电压变 为 零 ， 边 电压 也 原
被 钳位 在零 ， 阻隔 电容 和 变 压器 漏感 谐 振 。在 这 个 开 关模 态 内 ， 个 滤 波 电感 上 的 电 压 均 为一 ， 两 所
充 电 ， 的 电 压 上 升 。ｔ时 刻 ，ａ上 升 到 ／ ，ｏ Ｍ ２ Ｍ４
（＝ ２ ）÷ ｆ ，ｆ一 （ ） ） （ 一
Ｌ． ｆ２
（ ４ ）
１３ 模态 ３ ．
ｔ 时刻 ， 断 Ｑ ， 关 ｚ电感 折算 到变 压 器原 边 和 变 压 器漏 感 共 同 与 ， 谐 振 ， 给 充 电 ， 同时 通 过 给 放 电 ， ２ Ｃ 使 Ｑ 近似 为零 电压 关 断 。 ｃ和 。 在 ｔ 时刻 ，Ｑ上 升 到 ２ ，。下 降 到 ０ Ｕ ０ 此 ， ｏ＝ ，
下 降到 ０ 中点 钳位 二极 管 Ｄ 自然 导通 。副边 电感 ， ，
上 的 电 流 继 续 线 性 增 加 ， 电 感 上 的 电 流 继 续
线 性减 小 。
一
Ｕ
时 ， 波 电感 电流达 到最 大值 。 滤
。
。
（ ＝Ｉ（） 尘＿ ｆ ｉ ＋ ） ‘
Ｌ ｆ ｌ
（一 ） ｆ ‘
式 中 ： 是 变 压 器 变 比 ； 和 ，分 别 是 滤 波 助 网络 。
和 上 电流 的大 小 。
Ｑ
Ｏ ２
ｌ
Ｊ ： Ｏ Ｉ ＝ ｌ
ｉ ！
ｆ ｏ １
ｉ Ｉ
Ｏ ２
■
Ｉ６ Ｑ
型 电 器 设 备 的发 展 ， 以及 空 间 技 术 实 际应 用 的需
效 地 降 低 开关 管 两 端 的 电压 应 力 ， 能 够减 小 输 出 并 电压 的谐 波 ，这 使得 三 电平 变换 器 在 高 输入 电压 、 大功 率场 合得 到 了广 泛 的应 用 。 为 了 能够使 变 换 器 工作 在 高 压 大 功 率 的 场合 ， 并解决传统 Ｚ ＶＳ三 电平 变 换 器 整 流 二 极 管 两 端 存 在 的 电压 过 冲现象 ， 后 臂开 关 管 实现 Ｚ Ｓ困难 的 滞 Ｖ
ｔ时 刻 以前 （ 态 ０ ， ｔ ｚ Ｑ 导 通 ，ｂ两 点 一 模 ）Ｑ ， 和 Ｑ ａ
问 的 电压 ＝ ， 副边 Ｄ 舵导 通 ， 原边 向副边传 递 能
量 。副边 线 性增 大 ， ： 性 下降 。 线
原边 继续 向副 边传递 能量 。
ｍ
一 一
Ｕ
ｏ
。
） （） ： ＋
以其 电流均 线性 下 降 。
Ｇｔ （
ｓ （－ｔ ｉ ｔ ４ 蚴 ）
） Ｏ 卜 ｆ （） ＣＳ ４ ７ ）
Ｕｂ） ｍ ， ４ｓ ｔ ｆ ｆ 十 ｃ ｆ ｃｓ ， ｆ （ ｃ ，＝ Ｌ Ｉ（ ）ｉ ｏ —４ Ｕ ｏ 一 ８ （ ￣ ｔ ｎ（ ） （） ） ）
其 中， ＝ ／ （ １√ Ｏ －
（） １
∽：
∽ 一
（ ）
（ ）
（） ５
（） ６
：
Ｏ＝ ‘一 一 ） ） （ ÷ ）
（ ２ ）
第 ５期
孙 铁 成 ， ： 进 型倍 流 整 流 式 Ｚ 等 改 ＶＳ三 电平 ＤＣ— Ｃ 变换 器 Ｄ
１ 模 态 ４ｔ ｔ ． ４ ［￣ｓ ４ ］
在 ｔ 时 刻 ， ３ Ｄ 均 导 通 ， ３ Ｑ 零 电 压 开 ４ Ｄ 和 ４ Ｑ 和
冲 、 换 效 率 较 低 等不 足 之 处 ［５ 而 且 提 高 开关 频 转 ３３ －。 率 必然 会 带来 相应 的问题 ，例 如 开 关 损耗 增 大 、 严
路 。 整 流 二 极 管 自然 换 流 ， 效 地 解 决 了 变 压 器 使 有
副边 电压 过 冲和 占空 比丢失 的 问题 。最 后通 过 一 台
管 可 选 范 围小 、价 格 高 且 通 态 电阻 和导 通 损 耗 较
电平 变换 器 的超 前臂 由开关 管 Ｑ ～ 其反 并 联二 Ｑ 及
极 管 Ｄ ～ ４结 电容 Ｃ～ 组 成 ； 后 臂 由开 关 管 Ｑ Ｄ 、 滞 ｓ 和 Ｑ 及 其反 并 联 二 极 管 Ｄ 和 Ｄ 、结 电容 Ｃ 和 Ｃ ６
管 两端 不存 在 由反 向恢 复 引起 的电压 过 冲 。
１ 模 态 ５ 啊 ． ５
Ｑ ， Ｑ 继 续 导 通 ， ＝ ，凸折 算 到 副 边 侧 ，Ｑ 和 ０ 相 比很 小 ， 忽 略 不 计 ， 此 两 个 滤 波 电感 上 的 电 可 因 压 均近 似 为一 ， 波 电感 电流 继 续 线性 下 降 ， 滤 由于 ｉ － 所 以 ，＝ ， ， 为 五， 是 负 的 ， 绝 对 值 ｓ ｉ ＝ 一 因 ２ 且 是增 大 的 ， 因此 又开 始增 加 。
高 频 软 开 关 电 源 技 术 和 电 力 传 动 控 制 技术 等 方 面 的教 学
及科研工作 。
和 Ｄ 为 飞 跨 电 容
容 。Ｄ 和 Ｄ 为 输 出整 流 二极 管 ， 和 为输 出滤
电
源
学
报
总第 ３ ７期
波 电 感 ， 为 输 出 滤 波 电 容 。电 感 。二 极 管 Ｄ Ｄ 、
平 变换 器 。该 拓 扑 在 变 压 器 的 原 边 加 入 了辅 助 网
Ｄ ＷＭ 变 换 器 ． ＣＰ 它存 在 滞 后 桥 臂零 电压 开 关 范 围
窄、 占空 比丢 失 严 重 、 出 整 流 二 极 管 反 向 电压 过 输
络 。 滞 后 臂 实 现 零 电压 提 供 能 量 ， 宽 了 变 换 器 为 拓 实现 Ｚ Ｓ的负 载 范 围 ； 压 器 副边 采用 倍 流整 流 电 Ｖ 变
／
Ｑ ５
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Ｑ ６
ｒ
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＼ 一
。
图 １ 改 进 型 ＺＶＳ全 桥 三 电平 变 换 器
在 详 细分 析 改 进 型倍 流整 流式 Ｚ Ｓ三 电平 变 Ｖ
、
，
求 ． 求 Ｄ — ＣＰ 要 Ｃ Ｄ ＷＭ 变 换 器 有 更 小 的体 积 、 轻 更
的重 量 和更 高 的功率 密 度 ，这就 要 求 Ｄ — Ｃ Ｐ Ｃ Ｄ ＷＭ
变换 器具 有 更高 的开关 频率 。但 对 于 常规 的 Ｄ — Ｃ
问题 ， 文 提 出 了一种 改 进 型倍 流 整流 式 Ｚ Ｓ三 电 本 Ｖ
分 输 人 电压 ，可 以认 为是 一 个 电压 值 为 ２恒 压
ｉ ∞
、
／
＼ ／ ｌ
’‘
源； ④飞跨 电容 足够大 ， 电压基本不变 ， 其 为
２⑤ 输 出滤 波 电感 足够 大 ， 认 为输 出 为一 个理 想 ； 可
的恒 流 源 ，。 ｎ
该 变换 器 每半 个 周期 内有 ８个 工作 模 态 ． 电路
＾ ，ｔ …
Ｉ ｝ Ｕ 始
圉 ２ 变 换 嚣 主 要 波 形 图
●
的主要波 形如 图 ２ 示 。下 面对 变换 器 的各 个工 作 所
模式 进行 分析 。
１ 模态 ２ ． ２ Ｄ ， ２ Ｑ 导 通 ，ｂ两 点 间 的 电压 ６ ／ ， Ｑ 和 ６ ａ ＝ ２
Ｌ ｆ ｔ
）
一
（） ３
１１ 模 态 １ １叼 ． ＾ 叫 ｔ时 刻 ， 断 Ｑ ， 。 关 电感 折算 到变 压 器原 边 和 变 压 器 漏感 共 同 与 Ｃ ， 谐 振 ， Ｃ 充 电 ， 通 过 ａ 给 并
给 ｃ 放 电 ， 似 为零 电压关 断 ， ４ Ｑ近 给 阻 隔 电容
， 为变压器漏感 。
（ 开 关 模 态 ０（．） ａ ） ｔ ｔ ｏ。
在 这 个 开关 模 态 中 ， 电感 ： 电流 已经 变 为 负 值 ， ｔ时刻 ，＝ ， Ｄ ＝ ， Ｄ 自然 关 断 ， 在 ５ 则 皿 ０ 即 皿 进 而 实 现 了整 流 二 极 管 的 自然 换 流 ， 因此 ， 流 二 极 整
大， 使变 换 器 的效 率 降低 。 而三 电平 拓扑 可 以有 姗
收 稿 日期 ： ０ １ ０ — ６ ２１－５ ０ 作 者 简 介 ： 铁 成 （９ ２ ）男 ， 授 ， 要 从 事 电 力 电 子 技 术 及 应 用 、 孙 １５ 一 ， 教 主
组成 。 和
为 分压 电容 。 飞跨 电容 足够 大 。 ， Ｄ 的 续 流 二 极 管 ， 为 阻 隔 电
Ｖ左 右 ， 给后 级 电路 器件 选择 增 加 了难 度 ， 其 是 这 尤