2003(马运东 阮新波 严仰光-电力电子技术)全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
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图 6 死区加宽后的实验波形
波形 。图 4d 中 1 通道是电流 ip 波形 ,2 通道为 A ,
B 两点间电压波形 。3 通道为 C , D 两点间的电压
波形 ,可以看到该电压波形比较平滑 ,已消除了寄生
29
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图 1 全桥三电平直流变换器
3 控制方式
3. 1 最佳开关方式 全桥三电平直流变换器的开关管较多 ,意即其
中孕育着多种开关方式 。其中最佳开关方式应该满 足条件 : ①同样的占空比下 ,功率传输最大 ; ②滤波 电感电流脉动达到最小 ; ③实现开关管的软开关 。
满足上述条件的开关方式是唯一的 ,所以称该 开关方式为最佳开关方式 。图 2 绘出了在最佳开关 方式下的主要波形 。
4 参数设计
4. 1 谐振电感设计 为了实现滞后管零电压开关 ,必须在变压器的
初级电路串联谐振电感 。谐振电感的大小要满足 ZVS 的要求 ,超前管实现 ZVS 的能量来自滤波电 感 ,与谐振电感无关 ;滞后管实现 ZVS 需要的能量
主要由谐振电感提供 。C3 , C5 , C6 需要的能量为 :
首先关断的是超前管 。超前管关断后变压器需 要继续向次级传递能量 ,因此变压器初级电流不可 能下降到零 ,即超前管只能实现 ZVS。然后关断的 是滞后管 ,若要实现 ZCS ,初级电流必须下降到零并 且要保持一段时间以便于滞后管关断 ,由此得到的 v CD波形已非最佳 ;若要实现 ZVS ,仅靠漏感的能量 难以达到 ,需要加入谐振电感来协助实现 。如图 1 虚线所示 :断开 A , E 两点 ,加入谐振电感 L r 。由于 L r 与整流二极管结电容会产生寄生振荡 ,因此加入 二极管 VDc1 ,VDc2 来将其消除 。所以 ,全桥三电平 直流变换器在最佳开关方式下只有 ZVS 一种软开 关类型 。
全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
图 2 最佳开关方式下的主要波形
图 3 最佳开关方式
在这一族开关方式中 VQ2 ,VQ7 ,VQ8 和 VQ3 , VQ5 ,VQ6 关断时间比 VQ1 和 VQ4 滞后 ,先关断的 VQ1 ,VQ4 为超前管 ,后关断的 6 只开关管为滞后 管。 3. 2 最佳开关方式下的软开关类型
2 in
(5)
式中 n 变压器初 、次级绕组匝比
Io
输出电流
4. 2 占空比丢失
由于加入了谐振电感 ,必然会带来占空比丢失 。
考虑式 (5) ,占空比丢失的时间 tloss为 :
tloss =
9+5
3
V in Clag Ipo
(6)
占空比丢失大小为 :
Dloss =
lag T Ipo
第 37 卷第 2003 年 8
4期 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 37 August
,No. 4 ,2003
振荡 。
压应力只有原来的一半 ; (2) 根据所给条件寻找到的最佳开关方式可以
在电流脉动要求相同的条件下减小滤波电感 ,提高 系统响应速度 ;同时使开关管实现 ZVS ;
关键词 :直流变换器 ;脉宽调制/ 三电平 ,软开关 中图分类号 : TM46 文献标识码 :A 文章编号 :1000 - 100X(2003) 04 - 0028 - 03
The Modulation Strategy and Design of Full2bridge Three2level Converter
2 全桥三电平直流变换器的拓扑
根据上述思路 ,对全桥直流变换器进行三电平
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50177013) 定稿日期 :2003 - 01 - 29 作者简介 :马运东 (1969 - ) ,男 ,山东腾州人 ,博士生 ,研
究方向为电力电子技术 。
28
拓扑变换 ,得到了全桥三电平直流变换器的拓扑结 构 ,如图 1 所示 ,图中 A , E 两点连在一起 。暂时不 考虑图中虚线部分所示 。
MA Yun2dong , RUAN Xin2bo , YAN Yang2guang
( N anji ng U niversity of A eronautics and Ast ronautics , N anji ng 210016 , Chi na) Abstract :This paper presents a novel zero2voltage2switching full2bridge t hree2level converter. The best modulation strategy is found on condition of largest energy transfer ratio , smallest current ripple of t he filter inductor , and realizing zero2voltage2switching of each switches. The converter overcomes t he drawbacks presented by t he conventional zero2volt2 age2switching full2bridge converter ,such as high voltage stress of each switches and severe parasitic ringing on t he rectifier diodes ,so it can get higher efficiency ,faster response speed ,and wider application area. The operation principle of t he new converter is analyzed and verified on a 3kW , 50kHz experimental prototype. Key words :DC converters ; PWM ; t hree2level , soft2switching
1 引 言
在输入电压相同的情况下 ,中点钳位脉宽调制 逆变器[1 ]与传统的逆变器相比 ,其开关管的电压应 力是后者的一半 。参考该逆变器提出的 ZVS PWM 三电平直流变换器[2 ] ,可以使开关管的电压应力降 为输入电压的一半 。增加飞跨电容可实现开关管之 间的解耦[3 ] ,从而达到易于实现软开关的目的 。三 电平 直 流 变 换 器 的 一 族 共 有 9 种 PWM 控 制 方 式[4 ] ,软开关 PWM 三电平变换器可分为 ZVS 和 ZV ZCS 两类 ,并分别有与其相适应的控制策略 。
全桥直流变换器由于结构上的优势使其在中大 功率的开关电源中应用较多 。对该变换器进行三电 平拓扑变换 ,可以使之工作在输入电压更高的场合 , 变换效率更高 ,进一步拓宽了它的应用范围 。同样 , 三电平拓扑变换离不开开关管的成倍增加 ,由此带 来了新的控制方式 。从中找出最佳选择 ,可以使变 换器的工作更为合理 。
[ 4 ] Ruan X. Soft2switching PWM Three2level Converters[J ] . IEEE Trans. on Power Elec. ,2001 ,16(5) :612～622.
(上接第 24 页)
图 5a 为驱动脉冲在电流过零点处开通 ,在电流 快过零时关断的波形 ;图 5b 为驱动脉冲在电流快过 零时开通 ,在电流过零点处关断的波形 ;图 5c 为驱 动脉冲在电流快过零点时开通 ,在电流快过零时关 断的波形 。比较可见 ,图 5a 的电压振荡和尖峰比图 5b 和图 5c 的都小 ,是一种最佳情况 。图 6 示出死 区时间加宽后的实验波形 。在相同输出电压下 ,其 电流幅值减小 ,且在换流过程中存在电压翻转 。
(3) 加入谐振电感实现滞后管 ZVS ,但也会带 来占空比丢失 ;
(4) 加入钳位二极管能消除整流管的谐振 。
图 4 实验波形
6 结 论
根据上述分析 ,可以得出以下结论 : (1) 全桥三电平直流变换器中每只开关管的电
参考文献 :
[ 1 ] Nabae A. A New Neutral2point Clamped PWM Inverter [J ] . IEEE Trans. on Ind. Appl. ,1981 ,17 (2) :518～523.
E
>
3
1 18
Clag
V
2 in
+
3
1 9
Clag
V
2 in
=
1 2
Clag
V
2 in
(3)
即:
1 2
L r Ip2 >
1 2
Clag
V
2 in
(4)
式中 Ip 初级电流
谐振电感的设计要满足上式 。若考虑在输出电
流为设计满载的 1/ 3 时实现 ZVS ,则有 :
L
r
>
9
Clag n2 Io2
V
(7)
式中 T 开关周期
Ipo 负载电流折算到初级的值
5 实验验证
对变换器进行实验验证分析结果 ,参数如下 :输
出直流电压 280 V ; 输出电流 10 A ; 输出滤波电感
450μH ;超前管 IRF460 ; 输出滤波电容 560 μF ; 开
关频率 50 k Hz ;输入直流电压 600 V ±20 %。
实验波形如图 4 所示 。其中图 4a 为超前管实
现 ZVS 的波形 ,图 4b 为滞后管实现 ZVS 的波形 ;1
通道是驱动信号 ,2 通道是漏2源间电压波形 ,3 通道
是电流波形 。可以看到开关管开通时 ,漏2源电压已
降到零 ,电流再上升 ,关断时漏2源电压缓慢上升 。
图 4c 中 1 通道是电流 ip 波形 ,2 通道是电流 iL r的
基本的最佳开关方式如图 3 所示 。其中 VQ1 和 VQ4 的导通时间可以分别提前到 [ t1 , t2 ]和 [ t3 , t4 ]的任意时刻 ,如图中阴影部分所示 。这样就得到 了一族最佳开关方式 。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
摘要 :提出了一种新型的零电压开关全桥三电平直流变换器 。该变换器以能量传输比最大 、滤波电感电流纹 波最小 、开关管实现软开关等为条件 ,寻找到了最佳开关方式 ,克服了传统零电压开关全桥直流变换器中开关管电 压应力高 、整流二极管存在寄生振荡等缺点 ,所以其变换效率更高 ,响应速度更快 ,进一步拓宽了它的应用范围 。 最后通过一个 3kW、50kHz 的实验样机 ,验证了分析结果 。
第 37 卷第 2003 年 8
4期 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 37 August
,No. 4 ,2003
全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
马运东 , 阮新波 , 严仰光
(南京航空航天大学 , 南京 210016)
[ 2 ] Pinheiro J R. The Three2level ZVS2PWM DC2to2DC Converter[J ] . IEEE Trans. on Power Elec. ,1993 ,8(4) : 486～492 .
[ 3 ] Canales F. A Zero Voltage Switching Three2level DC/ DC Converter[ A ] . Proceedings of CPES’2000 [ C ] ,2000 :366 ～371.
E>
1 2
Clag
V in 3
2
=
1 18
Clag
V
2 in
(1)
其中假设 C2 , C3 , C5～ C8 容量相等 ,为 Clag ,输
入电压为 V in 。
C2 , C7 , C8 需要的能量为 :
E>
1 2
Clag
V in 3
2
-
1 2
Clag
V in 6
2
=
1 9
Clag
V
2 in
(2) 所以谐振电感的能量必须满足 :
波形 。图 4d 中 1 通道是电流 ip 波形 ,2 通道为 A ,
B 两点间电压波形 。3 通道为 C , D 两点间的电压
波形 ,可以看到该电压波形比较平滑 ,已消除了寄生
29
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图 1 全桥三电平直流变换器
3 控制方式
3. 1 最佳开关方式 全桥三电平直流变换器的开关管较多 ,意即其
中孕育着多种开关方式 。其中最佳开关方式应该满 足条件 : ①同样的占空比下 ,功率传输最大 ; ②滤波 电感电流脉动达到最小 ; ③实现开关管的软开关 。
满足上述条件的开关方式是唯一的 ,所以称该 开关方式为最佳开关方式 。图 2 绘出了在最佳开关 方式下的主要波形 。
4 参数设计
4. 1 谐振电感设计 为了实现滞后管零电压开关 ,必须在变压器的
初级电路串联谐振电感 。谐振电感的大小要满足 ZVS 的要求 ,超前管实现 ZVS 的能量来自滤波电 感 ,与谐振电感无关 ;滞后管实现 ZVS 需要的能量
主要由谐振电感提供 。C3 , C5 , C6 需要的能量为 :
首先关断的是超前管 。超前管关断后变压器需 要继续向次级传递能量 ,因此变压器初级电流不可 能下降到零 ,即超前管只能实现 ZVS。然后关断的 是滞后管 ,若要实现 ZCS ,初级电流必须下降到零并 且要保持一段时间以便于滞后管关断 ,由此得到的 v CD波形已非最佳 ;若要实现 ZVS ,仅靠漏感的能量 难以达到 ,需要加入谐振电感来协助实现 。如图 1 虚线所示 :断开 A , E 两点 ,加入谐振电感 L r 。由于 L r 与整流二极管结电容会产生寄生振荡 ,因此加入 二极管 VDc1 ,VDc2 来将其消除 。所以 ,全桥三电平 直流变换器在最佳开关方式下只有 ZVS 一种软开 关类型 。
全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
图 2 最佳开关方式下的主要波形
图 3 最佳开关方式
在这一族开关方式中 VQ2 ,VQ7 ,VQ8 和 VQ3 , VQ5 ,VQ6 关断时间比 VQ1 和 VQ4 滞后 ,先关断的 VQ1 ,VQ4 为超前管 ,后关断的 6 只开关管为滞后 管。 3. 2 最佳开关方式下的软开关类型
2 in
(5)
式中 n 变压器初 、次级绕组匝比
Io
输出电流
4. 2 占空比丢失
由于加入了谐振电感 ,必然会带来占空比丢失 。
考虑式 (5) ,占空比丢失的时间 tloss为 :
tloss =
9+5
3
V in Clag Ipo
(6)
占空比丢失大小为 :
Dloss =
lag T Ipo
第 37 卷第 2003 年 8
4期 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 37 August
,No. 4 ,2003
振荡 。
压应力只有原来的一半 ; (2) 根据所给条件寻找到的最佳开关方式可以
在电流脉动要求相同的条件下减小滤波电感 ,提高 系统响应速度 ;同时使开关管实现 ZVS ;
关键词 :直流变换器 ;脉宽调制/ 三电平 ,软开关 中图分类号 : TM46 文献标识码 :A 文章编号 :1000 - 100X(2003) 04 - 0028 - 03
The Modulation Strategy and Design of Full2bridge Three2level Converter
2 全桥三电平直流变换器的拓扑
根据上述思路 ,对全桥直流变换器进行三电平
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50177013) 定稿日期 :2003 - 01 - 29 作者简介 :马运东 (1969 - ) ,男 ,山东腾州人 ,博士生 ,研
究方向为电力电子技术 。
28
拓扑变换 ,得到了全桥三电平直流变换器的拓扑结 构 ,如图 1 所示 ,图中 A , E 两点连在一起 。暂时不 考虑图中虚线部分所示 。
MA Yun2dong , RUAN Xin2bo , YAN Yang2guang
( N anji ng U niversity of A eronautics and Ast ronautics , N anji ng 210016 , Chi na) Abstract :This paper presents a novel zero2voltage2switching full2bridge t hree2level converter. The best modulation strategy is found on condition of largest energy transfer ratio , smallest current ripple of t he filter inductor , and realizing zero2voltage2switching of each switches. The converter overcomes t he drawbacks presented by t he conventional zero2volt2 age2switching full2bridge converter ,such as high voltage stress of each switches and severe parasitic ringing on t he rectifier diodes ,so it can get higher efficiency ,faster response speed ,and wider application area. The operation principle of t he new converter is analyzed and verified on a 3kW , 50kHz experimental prototype. Key words :DC converters ; PWM ; t hree2level , soft2switching
1 引 言
在输入电压相同的情况下 ,中点钳位脉宽调制 逆变器[1 ]与传统的逆变器相比 ,其开关管的电压应 力是后者的一半 。参考该逆变器提出的 ZVS PWM 三电平直流变换器[2 ] ,可以使开关管的电压应力降 为输入电压的一半 。增加飞跨电容可实现开关管之 间的解耦[3 ] ,从而达到易于实现软开关的目的 。三 电平 直 流 变 换 器 的 一 族 共 有 9 种 PWM 控 制 方 式[4 ] ,软开关 PWM 三电平变换器可分为 ZVS 和 ZV ZCS 两类 ,并分别有与其相适应的控制策略 。
全桥直流变换器由于结构上的优势使其在中大 功率的开关电源中应用较多 。对该变换器进行三电 平拓扑变换 ,可以使之工作在输入电压更高的场合 , 变换效率更高 ,进一步拓宽了它的应用范围 。同样 , 三电平拓扑变换离不开开关管的成倍增加 ,由此带 来了新的控制方式 。从中找出最佳选择 ,可以使变 换器的工作更为合理 。
[ 4 ] Ruan X. Soft2switching PWM Three2level Converters[J ] . IEEE Trans. on Power Elec. ,2001 ,16(5) :612～622.
(上接第 24 页)
图 5a 为驱动脉冲在电流过零点处开通 ,在电流 快过零时关断的波形 ;图 5b 为驱动脉冲在电流快过 零时开通 ,在电流过零点处关断的波形 ;图 5c 为驱 动脉冲在电流快过零点时开通 ,在电流快过零时关 断的波形 。比较可见 ,图 5a 的电压振荡和尖峰比图 5b 和图 5c 的都小 ,是一种最佳情况 。图 6 示出死 区时间加宽后的实验波形 。在相同输出电压下 ,其 电流幅值减小 ,且在换流过程中存在电压翻转 。
(3) 加入谐振电感实现滞后管 ZVS ,但也会带 来占空比丢失 ;
(4) 加入钳位二极管能消除整流管的谐振 。
图 4 实验波形
6 结 论
根据上述分析 ,可以得出以下结论 : (1) 全桥三电平直流变换器中每只开关管的电
参考文献 :
[ 1 ] Nabae A. A New Neutral2point Clamped PWM Inverter [J ] . IEEE Trans. on Ind. Appl. ,1981 ,17 (2) :518～523.
E
>
3
1 18
Clag
V
2 in
+
3
1 9
Clag
V
2 in
=
1 2
Clag
V
2 in
(3)
即:
1 2
L r Ip2 >
1 2
Clag
V
2 in
(4)
式中 Ip 初级电流
谐振电感的设计要满足上式 。若考虑在输出电
流为设计满载的 1/ 3 时实现 ZVS ,则有 :
L
r
>
9
Clag n2 Io2
V
(7)
式中 T 开关周期
Ipo 负载电流折算到初级的值
5 实验验证
对变换器进行实验验证分析结果 ,参数如下 :输
出直流电压 280 V ; 输出电流 10 A ; 输出滤波电感
450μH ;超前管 IRF460 ; 输出滤波电容 560 μF ; 开
关频率 50 k Hz ;输入直流电压 600 V ±20 %。
实验波形如图 4 所示 。其中图 4a 为超前管实
现 ZVS 的波形 ,图 4b 为滞后管实现 ZVS 的波形 ;1
通道是驱动信号 ,2 通道是漏2源间电压波形 ,3 通道
是电流波形 。可以看到开关管开通时 ,漏2源电压已
降到零 ,电流再上升 ,关断时漏2源电压缓慢上升 。
图 4c 中 1 通道是电流 ip 波形 ,2 通道是电流 iL r的
基本的最佳开关方式如图 3 所示 。其中 VQ1 和 VQ4 的导通时间可以分别提前到 [ t1 , t2 ]和 [ t3 , t4 ]的任意时刻 ,如图中阴影部分所示 。这样就得到 了一族最佳开关方式 。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
摘要 :提出了一种新型的零电压开关全桥三电平直流变换器 。该变换器以能量传输比最大 、滤波电感电流纹 波最小 、开关管实现软开关等为条件 ,寻找到了最佳开关方式 ,克服了传统零电压开关全桥直流变换器中开关管电 压应力高 、整流二极管存在寄生振荡等缺点 ,所以其变换效率更高 ,响应速度更快 ,进一步拓宽了它的应用范围 。 最后通过一个 3kW、50kHz 的实验样机 ,验证了分析结果 。
第 37 卷第 2003 年 8
4期 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 37 August
,No. 4 ,2003
全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
马运东 , 阮新波 , 严仰光
(南京航空航天大学 , 南京 210016)
[ 2 ] Pinheiro J R. The Three2level ZVS2PWM DC2to2DC Converter[J ] . IEEE Trans. on Power Elec. ,1993 ,8(4) : 486～492 .
[ 3 ] Canales F. A Zero Voltage Switching Three2level DC/ DC Converter[ A ] . Proceedings of CPES’2000 [ C ] ,2000 :366 ～371.
E>
1 2
Clag
V in 3
2
=
1 18
Clag
V
2 in
(1)
其中假设 C2 , C3 , C5～ C8 容量相等 ,为 Clag ,输
入电压为 V in 。
C2 , C7 , C8 需要的能量为 :
E>
1 2
Clag
V in 3
2
-
1 2
Clag
V in 6
2
=
1 9
Clag
V
2 in
(2) 所以谐振电感的能量必须满足 :