三電平軟開關變換器

近年來,隨著電力電子技術的發展,對直流變換裝置的要求越來越高,尤其是在高壓大功率應用場合?為了減小高壓大功率變換器開關器件的電壓應力,提出了三電平直流變換器的方案,可使開關管的電壓應力為輸入直流電壓的一半?

1.三電平直流變換器

  三電平直流變換器的基本電路如圖4-23所示?電容CD1和CD容量相等,并且很大,它們的電壓均為輸入直流電壓的一半,即Ud1=Ud2=Uin/2?VD5和VD6為鉗位二極管,通過控制四只開關管VT1~VT4,在A?B兩點得到了一個幅值為Uin/2的交流方波電壓UAB?經過高頻變壓器和輸出整流橋后,在C?D兩點得到幅值為Uin/2N的直流脈沖電壓,再經過輸出濾波后,得到輸出直流電壓U?N是變壓器的原?副邊匝數比?通過調節Ucd的占空比,就可以調節輸出電壓U?

圖4-23基本的三電平直流變換器

2.三電平直流變換器的軟開關技術

  如前所述,為了提高開關頻率,必須實現開關管的軟開關?相關文獻提出的幾種軟開關三電平直流變換器,大體上可分為兩類:零電壓開關三電平直流變換器和零電壓/零電流開關三電平直流變換器?

  零電壓開關三電平直流變換器基本是在直流變換器的基礎上,外加了變換電感和電容如圖4-24所示,C1?C2?C3?C4是開關管的結電容;L1k是變換電感,由外部電感和變壓器的漏感組成?零電壓開關三電平直流變換器利用結電容C1?C2?C3?C4實現各開關管的零電壓關斷;通過儲存在變換電感L1K中的能量對結電容進行充放電,使相應的結電容兩端電壓達到零,以此來實現開關管的零電壓開通?

該電路的優點是:

  ①電路拓撲結構簡單

  ②負載波動不大時,基本上實現了零電壓開關

  ③開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。

  該電路的缺點是

①雖然開關管VT1和VT4利用折算到電源適配器變壓器原邊的輸出濾波電感(其數值很大)和變換電感很容易實現零電壓開關,但是VT2和VT3只能利用變換電感來實現零電壓開關?由于變換電感一般較小,在負載較小時,其能量不足以實現零電壓開關?

 ②在零狀態時,一次側不向負載提供能量,但一次側有環流存在,在開關管和電源適配器變壓器的原邊繞組中將產生通態損耗,影響功率變換器的效率?

  為了克服電路中當負載較輕時,變換電感L1中的能量不足以實現內部開關管的零電壓開關的問題,提出了寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器,如圖4-25所示?電路中增加了由電容C23?C24和電感LAK組成的輔助變換電路?該電路通過開關管的結電容實現開關管的零電壓關斷?當負載較輕時,儲存在變換電感LK中的能量較少,不足以實現內部開關管的軟開通?該電路通過輔助變換電路,利用輔助變換電感LAk中的能量,幫助變換電感LK對結電容進行充放電,使VT2和VT3兩端電壓達到零,以此來實現內部開關管的零電壓開通?該電路的優點是:

①克服了內側開關管在負載較輕時,不能實現軟開通的缺點,在相當寬的負載范圍內,均可實現開關管理體制零電壓開關?

②開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半?

  該電路的缺點是:

①在零狀態時,一次側環流仍然存在,影響了功率變換器的效率;

②輔助變換電路的增加,尤其是輔助變換電感LAx的增加,導致了環流能量的增加?因此,造成了通態損耗的增加,降低了功率變換器的效率?

為了消除零電壓開關三電平直流變換器零狀態時電源適配器變壓器原邊存在的環流,美國的F. CANALES提出了零電壓?零電流開關三電平直流變換器,實現了開關管VT1?VT4的零電壓開關和開關管VT2?VT3的零電流開關,并消除了零電壓開關三電平直流變換器零狀態時變壓器原邊存在的環流,減少了通態損耗,提高了功率變換器的效率?其電路圖如圖4-26(a)所示?

這個電路和零電壓開關三電平直流變換器的主要差別在于:增加了連結電容Cs以及在變壓器二次繞組中增加了輔助開關SAux和鉗位電容CAUx,連結電容Cs分別將外側管VT1、 VT4和內側管VT2?VT3的開關過程連接起來?在變換器穩態工作時,電容Cs的電壓恒為U?/2?輔助開關SAx和鉗位電容CAx使變壓器一次側電流復位為零,以實現內側開關管的零電流開關?外側開關管vT1和VT4利用結電容C1和C4實現了零電壓關斷;利用漏感和輸出電感中的能量對結電容C1和C4進行充放電,使VT1和VT4兩端電壓達到零,以此來實現外側開關管的零電壓開通?當變換器處于零狀態時,輔助開關SAx接通,鉗位電容CAux兩端的電壓反映到變壓器的一次繞組并加在漏感LK的兩端,變壓器一次側的電流以斜率NUAUX/L1K線性下降到零,以此來實現內側開關管的零電流開關;由于一次側電流為零,不能提供負載電流,此時負載的能量由鉗位電容CAx來提供?該電路的優點是

①在很寬的負載范圍內,實現了外側開關管的零電壓開關和內側開關管的零電流開關，且不受負載范圍和輸入電壓的影響;

②消除了零狀態時變壓器一次側存在的環流,減少了通態損耗,提高了功率變換器的效率;

③開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。

該電路的缺點是:增加了輔助開關,電路較復雜

目前,有人提出了另外一種零電壓零電流開關三電平直流變換器,其電路圖如圖4-26（b）所示?它采用了阻斷電容C4作為阻斷電壓源,使變壓器一次側電流在零狀態時減小到零,從而實現內側開關管的零電流開關?零狀態時,由于一次側電流減小,不足以提供負載電流?此時,輸出整流管VD22和VD23同時導通,使電源適配器變壓器一?二次側電壓均為零?因此,阻斷電容C的電壓全部加在飽和電感和漏感兩端,使一次側電流很快減小到零?利用結電容C1和C4實現了外側開關管的零電壓關斷;利用漏感和輸出電感中的能量對結電容C1和C4進行充放電,使VT1和VT4兩端電壓達到零,以此來實現外側開關管的零電壓開通為了防止一次側電流在零狀態時減小到零后繼續反方向流動,必須切斷一次側電流的反向通路,在變壓器一次電路中,串入一個飽和電感Ls?在零狀態時,飽和電感工作在線性狀態,防止一次電流反向流動;在+1狀態和-1狀態時,飽和電感工作在飽和狀態?該電路有兩個缺點:

①飽和電感損耗較大,限制了開關頻率的提高;

②飽和電感較難設計,容易導致較大的占空比丟失

  為此,有人提出了另外一種零電壓零電流開關三電平直流變換器,其電路圖如圖4-26(c)所示?為了防止電源適配器變壓器一次側電流在零狀態時減小到零后繼續反方向流動,在VT2和VT3中分別串入二極管VD2和VD3,消除了加入飽和電感后帶來的負作用。

  由以上的分析可以看出,零電壓開關三電平直流變換器在負載較小時不足以實現內側開關管的零電壓開關,而且在零狀態時,電源適配器變壓器一次側存在環流,降低了變換器的效率;寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器,雖然克服了內側開關管在負載較輕時不能實現軟開通的缺點,但是在零狀態時,電源適配器變壓器一次側環流仍然存在?零電壓零電流開關三電平直流變換器在很寬的負載范圍內,不僅實現了所有開關管的零電流開關,并使之不受負載范圍和輸入電壓的影響,而且消除了零狀態時變壓器一次側存在的環流,提高了變換器的效率?因此可以預言:在三電平直流變換器軟開關技術中,零電壓零電流開關三電平直流變換器將成為研究熱點,并將應用于工程實踐中?