电容箝位型3电平复合全桥DC／DC变换器

在 电感电流连续条件下 ，△ ＝△ Ｉ将 Ａ Ｉ ｌ Ｉ ， ｉ ＝
（ 一 ｏ ７Ｉ Ａ￡ （ ． 一 ） １ Ｄ） ／ 入可 ｕ） ＂， ｉ ＝ ０５ （ 一 ＴＬ代 ｏ ／， 得 ： Ｊ ＝（ ＋ ／ 。 ｕ １ Ｄ）２
（） ２ 电感 电流 断 续 情 况 如 图 ２ ｂ中 第 １４， ， ５曲 线 所 示 。在 该 状 态 下 ， 在 一 个 开 关 周 期 内可 分 为 ３个 主 要 阶段 ， ＤＴ阶 段 、 阶 段 及 （ 一 Ｄ ） 即 Ｄ。 １ Ｄ— Ｔ
５ ４
联立式（ ） ３ 和式（ ） 可得 ： ５， Ｄ ＝ （ （ ＋ Ｚ） ８ Ｚ ＋ ｒ－ ） ｌ Ｖ＇ ２Ｌ ＋Ｄ Ｌ ２ＬＤ Ｄ ２
最终得到 ：
一
（） ６
１ ．
（ｋ ＜ ＜ ｍｋ时 的 工 作 模 式 ２ ） Ｕ ／
（ ／Ｄ ２ＬＺ８ ｒ ＋ ｒ－ 、 （ ＋ ｒ） Ｄ Ｌ ２ＬＤ） ＋ ｒ、 ７ ４ ＋ （ ／ Ｄ ２ ＬＺ８ ｒ ２ ＬＤ ） Ｄ ２ ％— ＋ ｒ） Ｄ Ｌ＋ ｒ－ （ — ＋
想 波 形 ，这 里假 设 ｋ ｌ 图 ２ ＝。 ｂ为 （ｋ ＜ Ｉ ２ ） ＜ ｌ ｝
压应力 ； Ｖ Ｖ 由 ｓ， ｓ 组成 的 ２电平 桥臂 ， 桥臂 中每
个 开 关 承 受 的 电压 应 力 。 在 电 路 的工 作 过 程 中 ， 过 适 当控 制 ， 使 ／ｆｕ ／ ， 均 衡 Ｖ Ｖ 通 可 Ｚ＝ ｍ２ 在 Ｃ Ｓ￣ Ｓ 上 电压 应 力 分 布 外 ， 时 提 供 ｎ 同 ／ ２电平 参 与 电路 工作 ．电路 根 据输 出 电压 的大 小 采 用 不 同工 作 模
通 过 采 用 适 当 的 控 制 方 式 ， Ｓ一 Ｓ 可 实 现 Ｖ Ｖ Ｚ Ｓ 其 工 作 原 理 与 移 相 全桥 电路类 似 。要 实现 开 Ｖ ， 关 管的 Ｚ Ｓ Ｖ ．必 须 有 足 够 的 能 量 实 现 以下 两 个 目
Ｖ ３ Ｚ Ｓ示意图， ｓ的 Ｖ 由图可知， ｓ可 以实现 Ｚ Ｓ Ｖ， Ｖ。
况 基 本类 似 ， 此 不 再 详 述 。 在
Ｄ 时 间段 内 ， ＝ ０５ ｍ Ｕ） ／ 。 在 持 续 时 间 △ （．Ｕ— ｏＤＴＬ 为 （ 一 Ｄ。 的 工作 阶段 ， ０ １ Ｄ— ） ＝ 。在 电感 电流 断 续
条件下，Ａ ＝ｌ Ｉ ｌｉｌ △ 。
将 Ａ （ ｍ ｕ） ｒＬ和 △ （． 一 ） ／ ｉ ｕ — ｏＯ ／ ＝ ＝ Ｏ５ ＤＴＬ 代入 可得 ：
同理 可 得 ，＜ ｏ （ｋ 时 的输 入输 出关 系 ， Ｏ Ｕ＜ ２） 在此不再详述。
电容 箝 位 型 ３电 平 复 合 全 桥 Ｄ ／ Ｃ 变换 器 ＣＤ
３２ 初 级 开关 软 开 关 条 件 ．
３电平 Ｄ ／ Ｃ变换器 的变压器初 级 电压波 形 ， ＣＤ 由
图可 知 ， 验波 形 与 理想 波 形 一致 。 ３ 实 图 ｃ为 ３电平 Ｄ ／ Ｃ变 换 器 的输 出滤波 电感 电流 纹 波 。图 ３ ＣＤ ｄ为
ｉ
标 ： 走即将开通的开关管 的结 电容 （ ①抽 或外 部附 加 电容 ） 的 电荷 ； 上 ②给 关断开关 管 的结 电容 （ 或
外 部附加 电容） 电。以超前桥臂为例 ， 实现 开 充 要
关 管的 Ｚ Ｓ必须满足 ： Ｖ ，
．
］ 』 ｌ ＋
■
－ 一
ｆ １
Ｅ ＋ ＋ ＋ ＞ 竿
Ｕ ｄｋ为 例 进 行 分 析 ：
—１
Ｉ
ｒ１
：
： ： ： 卜～ — — ： ．
／ ：ｌ ／＼
一
！ 一
Ａ ：
一
ｆ
（） ａ 电路 的理 想 波形
（） ｂ 电感 电压 、 电流
图 ２ 工作波 形 图
模 式 １ ｔ时 刻 ， Ｓ， Ｓ 和 Ｖ ６ 通 ，ａ Ｕ ， ０ Ｖ Ｖ Ｓ导 ／ｂ ｍ ｔ－ 变 压 器 初 级 向次级 输 出 能量 ． 电感 电 流线 性 上 升 ： （） ￡＝
４ 实 验 结 果
为 验 证 浮 动 电 容 箝 位 型 混 合 ３ 电平 Ｄ ／ Ｃ ＣＤ 变 换 器 的 工 作 原 理 ． 建 了 一 套 ３５Ｗ 的 实 验 装 搭 ７ 置 。实验 装 置 参 数 ： 流 输 入 电压 Ｕ．１０Ｖ； 级 直 ￣ ０ 初 ＝ 开 关 频 率 为 ４ Ｈｚ主 开 关 元 件 采 用 Ｉ Ｆ ８０； ０ｋ ； Ｒ Ｐ ４ 输 出 电 容 ９０ｔ 输 出 滤 波 电感 Ｏ２ｍＨ； 出 整 流 ４ Ｆ； ｘ ． 输
模式 ４ ｔ 时刻 ， Ｓ 关 断 ， Ｓ 的 反 并 联 二 极 Ｖ Ｖ 管 根 据 负 载 的 情 况 导 通 ． 当 初 级 电 流 连 续 时 ／ｂ一 ｍ 变 压 器 初 级 向输 入 回 馈 能 量 。 此 后 开 通 ，－ Ｕ 。 ｔ ａ Ｖ ５ 实现 Ｖ ５ Ｚ Ｓ Ｓ可 Ｓ的 Ｖ 。 模式 ５ ｔ 时刻 ， 通 Ｖ ／ － ｕ ， 压 器 初 开 Ｓ，ａ 一 ｉ 变 ￣ ｂ 级 向次级 输 出 能量 。 压 器 初 级 电流 线 性 上 升 ， 变 电 路进 入 负 半 周工 作 状 态 。 电路 对 称 半 周 的 工 作状
一 ■ 一
Ｉ
－
｝
ｔ ｔ
４
—
Ｉ
ＩＩ． ’ Ｉ． － Ｉ，
０
Ｉ
－
１
－
０ ￣
．
Ｉ
；
．＿
：＿＿＿－－＿＿－－－ －－
ｒ１
．
也 ． —
“ ｄｓ Ｓ３ Ｖ
： 卜
＝ ＝ ＝
式组合 。通过减小输 出滤波器前 的电压纹波值达
到减 小输 出滤 波 电感 值 的 目的。 为 便 于分 析 ， 处 以 电路 工 作在 ｕ ／２ ） ＜ 此 ￣（ｋ ＜
（ ＋ ） Ｈ ） 厶（
（） ２
Ｖ 。 ＶＳ Ｓ和 承 受 ／ ２的 电压 应 力 ， Ｓ 承 受 Ｖ 的 电压 应 力 。 模 式 ３ ｔ 时刻 ， Ｓ 关 断 ， Ｓ 的 反 并 联 二 极 ： Ｖ Ｖ，
管导通 ，击 ０ ＝ ，变压器初 级续流 。此 后给 Ｖ ， ｓ 和 Ｖ 动 信 号 ， 实 现 Ｖ ， Ｖ 的 Ｚ Ｓ开 通 。 Ｓ驱 可 Ｓ和 Ｓ Ｖ
时， 电感 电压及不 同负载条件下 的电感电流 。
ＵｇＶ Ｓ ｌＶ Ｓ３ ， ＩｇＶ Ｓ２， Ｓ４ ｇ Ｖ ￣ｇＶ Ｓ５， Ｓ６ Ｖ “ａｂ
ＶＳ： ２ ＶＳ： ６
－－－ －－ －－ －
＝＝ ４ ＝ＶＳ ： ！ ＝＝ ５ ＝ ＝ ＶＳ ：
ＩＩ Ｉ Ｉ
： ２ ＝ ＂ Ｖ８ ｉ ： ．
阶段 。 Ｄ 在 Ｔ阶 段 及 Ｄ 阶 段 ， 的上 升 、 降斜 率 下 及△ 的 表 达 式 与 电感 电流 连 续情 况 时 相 同。 在
和 Ｖ 通 ，变 压 器 初 级 和 输 出滤 波 电感 一 起 向 Ｓ导
负载供 电。变压器初 级 电流线性下 降 ：
（） ｔ：
／： ｉ Ｌ
３３ 输 出滤 波 电感 ．
萋 一 一
在 Ｄ ／Ｃ变 换器 的设计 中 ， ＣＤ 如何有 效减小输
出滤 波 回路 的体 积 是 设 计 者 关 心 的 问题 。通 常 是 依 靠 提 高 开 关频 率 的方 法 来 解 决 此 问题 ．但 这 样 会 带来 附加 开 关损 耗 。 在 相 同开 关 频 率 下 ， 效 而 有 减 小输 出 滤 波 电感 的大 小 ， 是 ３电平 Ｄ ／ Ｃ变 正 ＣＤ 换 器 的优 势 所 在 。此 处 将 对 ３电平 Ｄ ／ Ｃ变 换器 ＣＤ
在 （－ Ｔ阶段 ， 线 性 下 降 ，其 下 降 斜 率 ｄｄ ｔ １ Ｄ） ｉｄ＝ （ ． 一 ｏ／ ＡＬ＝ ０５ ． ） １ Ｄ）／ ０５ Ｕ）Ｌ， ｉ （． 一 （ 一 ＴＬ。 ｍ
式中： ｋ为变 压器 变 比： 为输 出滤波 电感量 。
Ｖ ， Ｖ 受 ／ Ｓ和 Ｓ承 ２的 电压 应 力 ， Ｓ 承 受 Ｖ 的 电压 应 力 。 模 式 ２ ｔ 时 刻 ， Ｓ 关 断 ，ａ Ｕ． Ｖ １Ｖ ４ １ Ｖ１ ｕ ＝ ｉ２， Ｓ， Ｄ ｂ ／
（） ５
３ 变 换 器 的 特 性 分 析
３１ 输入 输 出关 系 ．
而 １２ ＋ ２ Ｄ［
电路 的输入输 出关系 需要根据不 同的工作模 式组合及 电路的具体工作状态加 以分析 。电路主
要 工 作 模 式 组 合 有 两 种 ： ｉ（ｋ ＜ ＜ ｍｋ和 Ｏ ｕ／２ ） Ｕ ／ ＜ ｕ＜ ＋（ｋ 。 电路 的 工 作 状 态 根 据 电 感 电流 的状 ｏｕ／２ ） 态 可 分 为 电感 电流 连 续 和 电感 电流 断 续 两 种 。 为 便 于 分 析 ，针 对 加 以分 析 。 图２ ａ为 电路 工 作 在 Ｕ ２ ） Ｕ＜ ｍｋ时 的理 Ｊ（ｋ ＜ ｏＵ ／
ｕｏ Ｄ＋ ／ Ｄ１ ２ ｕｍ — Ｄ＋ Ｄ１
—
， 、 、
由图 ２ ｂ可 知 ， 等 于 在 一 个 开 关 周 期 内三 角 形 的 面 积 平均 。 ： 则
Ｉ１ Ｄ １＋）
令 ｒ＝ ／ＲＴ ， 得 ： ＬＬ （ ）解
Ｄ２
＝
Ｄ］ 鲁 ＝
（ ４ ）
Ｌ
（） １ 电感 电 流 连 续 情 况 如 图 ２ ｂ中 第 １ ２ ３ ， ，条 曲线 所 示 。在 该状 态 下 ， 在 一个 开 关周 期 内可 分
（一ｏ＋ ｔ ｔ （０ ） ）
（） １
为 ２ 主要阶段 ：① 在 Ｄ 个 Ｔ阶段 ， 线性上 升 ， 其 上升斜 率 ｄ ｄ＝ 一 ） ＡＬ （ 一 ｏＤ ／ ； ｉ ｔ （ ／ ／ ｕ） ｒＬ ② Ｊ Ｌ， ＝
第４ ５卷 第 １ 期 １
２ １年 １ ０１ １月
电 力 电子 技 术
Ｐ ｗ ｒＥ ｅ ｔ ｎ ｃ ｏ ｅ ｌ ｃｒ ｉ ｓ ｏ
Ｖｏ ．５，Ｎｏ １ １ ４ ．１
Ｎｏ ｅ ｅ ０ ｖ ｍｂ ｒ １ ２ １
成 的 ３电平 桥 臂 ， 臂 中每 个 开 关 承 受 ２的 电 桥
二 二 二
（） ８
Ｖ Ｖ 开通 时 ， 与 串联 ，用 来 实现 ｓ～ Ｓ 在 厶 Ｚ Ｓ的 能 量 是 厶 与 中 的 能 量 。厶 一 般 很 大 ， Ｖ 其
能 量 很 容 易 满足 上 式 ， Ｖ Ｖ ４ 易 实 现 Ｚ Ｓ 故 Ｓ～ ｓ 容 Ｖ。 而 Ｖ Ｖ 实 现 Ｚ Ｓ Ｓ， Ｓ 要 Ｖ ，则 要 根 据 负 载 电流 的情 况 串入 适 当 的谐 振 电感 。
进行分析 。 分析前 ， 先假 设 ： ①输入 电压相 同， 设为
；
②变压器变 比设为 １ ③开关频率相 同 ； 占空 ； ④
比表示为 Ｄ： ⑤设计 时保证 电感 电流连 续。 在 ｕ／２ ） ＜ ｍｋ的条 件 下 ， 可 按 照 ０ ｍ（ｋ ＜ Ｕ ／ ≤
ｔ ≤ＤＴ的 时 间 设计 电感 。依据 电感 的计 算 公 式 ， 可 得 ：ｄＬ ｔ ｕ。 由 此 可 得 ：Ａ ＝ 一 ｏＤＴ 由于 Ｌ ｉｄ＝ Ｌ ／ Ｌ ｉ （ ｕ） 。 Ｕ＝ ＩＤ） ｊ ， ｏ（ ＋ ２ 因此 Ｌ ｉ（－ Ｄ ｓ 。 Ａ＝ １Ｄ） ／ 当 一 定 ， ２ Ｄ Ｏ５时 ，Ａ 达 到 峰值 ， ０１５ 。在 ０ ｕ＜ ＝． Ｌｉ 即 ．２ ＜ ｏ （ ） 的条 件 下 ，可 按 照 ０≤ｔ ≤ＤＴ的时 间设 计 电 感 。依 据 电 感 计 算 公 式 ， 得 ： Ａ＝ Ｕ ２ ｕ） ， 可 Ｌ ｉ （ Ｊ 一 ｏＤＴ 由于 Ｕ＝ ， ， Ｌ ＝ １Ｄ） ／。当 一 定 ， ｏＤＵＩ 故 Ａｉ（ 一 Ｄ ２ ２ Ｄ＝ ． ，Ａ 达 到 峰值 （ Ａ ）＝ ．２ Ｔ Ｂ ０５时 Ｌ ｉ Ｌ ｉ ０１５ Ｕ。