一种半桥三电平ZVSPWMDC_DC变换器的研究

推导了变换器的小信号模型，为设计控制器的校正传递函数提供了理论基础。提出了一种基于数字控制的滞后管变
占空比的控制方式，轻载时实现了滞后管的 ZVS，降低了滞后管的电压尖峰，提高了变换器的效率。最后设计了一款
5.8 kW 的产品，其性能和指标满足设计要求，验证了理论分析的正确性。
关 键 词 ：变换器；数字控制；零电压开关；小信号模型
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（上接第 33 页）
参考文献
4结论
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针对常规有源电力滤波器存在的一些不足，在
波器中的研究[J].电力电子技术，2003，37（4）：1-3.
充分分析国内外现有有源电力滤波器的现状后，提 出了基于单周控制的四桥臂三相四线制有源电力 滤波器，并对其进行了仿真和实验验证。其结果明 该单周控制四桥臂三相四线制有源电力滤波器能 有效补偿三相四线制系统中的谐波、零序、基波负 序 和 无 功 电 流 ，其 电 路 结 构 简 单 、性 能 可 靠 、成 本 低、实现容易。单周控制以其明显优点在有源电力 滤波器中显示出广阔的应用前景。
（ZTE Corporation，Shenzhen 518055，China） Abstract：A half-bridge three-level ZVS PWM DC/DC converter is introduced，the small-signal model is deduced according the small-signal model of Buck and the operation principle of the converter.After designing the correcting transfer function，the control method of variable duty is proposed which bases on digital control.ZVS of the lagging-leg is achieved，the voltage spike is suppressed and the efficiency is enhanced with low load.Finally，production on a prototype of 5.8 kW confirms that the design satisfies the performance and indicator requests. Keywords：converter；digital control；zero-voltage-switching；small-signal model
1引言
三电平变换器主功率开关器件承受的电压应力 为输入直流母线电压的一半，特别适合高输入电压 中大功率的应用场合。变换器利用谐振电感和输出 滤波电感的能量实现开关管的 ZVS。但在轻载时，谐 振电感储能有限，所以该变换器轻载时存在滞后管 无法实现 ZVS 的问题。在此提出一种滞后管变占空 比控制的控制策略，解决了上述问题。
图 5 示出基于数字控制的中断子程序的流程 图，超前管和滞后管的导通占空比在中断子函数中
进行计算和更新。
件控制策略，从而提高轻载时变换器的效率，降低轻 载时功率管两端的电压尖峰，并通过一个 5.8 kW 的 产品验证了分析的正确性，给出了实验结果。
参考文献
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[2] Vlatko Vlatkovic，June A.Sabate，Raymongd B，et al.Small-
图 5 中断子程序流程图
4 实验结果与分析
根据以上理论设计和制作了 5.8 kW 的半桥三 电平 ZVS PWM DC/DC 的产品，具体设计参数为：输 入电压 Uin=800 V；输出电压 Uo=54 V；输出电流 Io 为 0～121 A。图 6a 为轻载时开关管 VS1 和 VS2 漏源两 端的电压波形。
断，提高了变换器轻载的效率，减小了开关管的尖 时间 200 μs）。
峰。图 4 示出超前管和滞后管的导通时间关系图。 5 结 论
推导出半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变换器的
小信号模型，设计了控制器的校正传递函数，并针对
滞后管轻载时无法实现 ZVS 的问题，提出了一种软
图 4 VS1（VS4）和 VS2（VS3）的导通时间关系图
2 拓扑结构
图 1 为半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变化器的 主拓扑结构[1]。VS1，VS4 为超前管，VS2，VS3 为滞后管。
图 2 变换器的标准小信号模型
变换器的控制量到输出电压的传递函数为：
Ged（s）=
Lf
Cf
s2+（Lf
Uin/（2m） /R+RpCf）s+Rp/R+1
式中：Rp=Uin[4Lr/（mUin）+5mC1Uin/（4Io2）]/（2mTs）。
较高的电压尖峰。 为实现轻载时滞后管的 ZVS，提出一种滞后管
变占空比的控制方式。重载时，滞后管的导通时间固 定，轻载时滞后管的导通时间随着负载的大小而改
图 6 实验波形
由图 6a 可见，由于 VS2 采用变占空比的控制 方式，轻载时，VS2 实现了 ZVS，并且由于 VS2 的占 空比采用渐变的方式，保证了环路的稳定性；轻载
定 稿 日 期 ：2010-06-25 作者简介：周 华 敏 （1980-），女 ，湖 北 人 ，硕 士 ， 研 究 方 向 为 电 力 电子与电力传动。
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图 3 控制系统的结构框图
基于变换器的小信号模型，结合控制器的设计 要求，设计了环路校正传递函数。
由变换器的工作原理可知，超前管的 ZVS 通过 谐振电感和输出滤波电感储存的能量实现，由于输 出滤波电感比较大，所以超前管可在全负载范围内 实现 ZVS。超前管关断后，变压器次级被箝位，初、次 级不存在能量转换，滞后管的 ZVS 只能通过谐振电 感储存的能量实现。而谐振电感的引入会引起次级 占空比的丢失，谐振电感的值越大，次级丢失的占空
一种半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变换器的研究
比越多，这样谐振电感的值就不能太大；轻载时，流
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过谐振电感的电流比较小，谐振电感储能有限，并且
超前管关断后，滞后管和箝位二极管之间的续流消
耗了一部分谐振电感储存的能量，所以轻载时谐振
电感储存的能量很难实现滞后管的 ZVS，导致轻载
时滞后管的开关损耗较大，且滞后管漏源两端存在
3 数字控制实现
（1）
为获得较好的动态性能，采用电压外环、初级电
流内环的平均电流模式控制，图 3 示出基于数字控
制的环路结构框图。电压外环的控制输出是电流内
环的参考，电流内环的控制输出为开关管 VS1，VS4 的导通占空比。
图 1 半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变换器
该变换器是由 Buck 变换器衍生而来，其小信号 模型可与 Buck 变换器模型进行类比。但由于谐振电 感的引入，该变换器存在占空比的丢失，故其小信号 特性与 Buck 变换器有一定区别。基于 Buck 变换器 的平均小信号模型，并结合谐振电感谐振过程所产 生的附加效应，可推导出半桥三电平 DC/DC PWM 直 流变换器的标准小信号模型，如图 2 所示[2]。
[5] 邹荣盛，刘会金，周青山.单周控制有源滤波器控制新方 法[J].电力科学与工程，2004，26（2）：45-48.
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变。即随着负载的减小，逐渐减小滞后管的导通时 间，从而缩短了续流时间，减小了续流时的损耗，保
时 VS2 的电压应力为 420 V，满足 MOSFET 管的降 额要求。由图 6b 可见，50%～25%动态切换时，超调
证谐振电感有更多的能量来实现滞后管的 ZVS 关 量和恢复时间满足指标要求（超调量 321 mV，恢复
中 图 分 类 号 ：TM46
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2010）08-0050-02
The Investigtion of Half-bridge Three-level ZVS PWM DC/DC Converter
ZHOU Hua-min， XU Bo， ZHANG Qian， WANG Tao
第 44 卷第 8 期 2010 年 8 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.44， No.8 August，2010
一种半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变换器的研究
周华敏， 徐 波， 张 前， 王 陶 （深圳中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）
摘要：介绍了一种半桥三电平 ZVS PWM DC/DC 变换器，在 Buck 电路小信号模型的基础上结合变换器的工作原理，
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