一種改進(jìn)型零電壓開(kāi)關(guān)PWM三電平直流變換器的研究

摘要：介紹了一種帶輸出飽和電感的移相零電壓開(kāi)關(guān)PWM三電平直流變換器，與傳統(tǒng)的零電壓三電平比較，它具有在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)；減小副邊占空比丟失；減小輸出二極管的寄生振蕩及電壓尖峰等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)表明，該電路整機(jī)效率高，采用電流峰值控制后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，易于實(shí)現(xiàn)中大功率DC/DC變換。

關(guān)鍵詞：飽和電感；零電壓開(kāi)關(guān)；三電平

A Zero-Voltage- Switching PWM Three- level DC/DC Converter Using Output Saturable Inductor

LIU Xue- chao, PAN Hong, ZHANG Bo?

Abstract:A novel phase- shift zero-voltage- switching PWM three- level DC/DC converter is introduced which contains two output saturable inductors, thus it can realize ZVS in wide output power range, reduce the secondary duty cycle loss and clamp the parasitic oscillation and voltage spike of the output diode. The prototype experimental results verify the DC/DC converter has a good efficiency and a high stability with the use of peak current control, which can realize high power conversion.?

Keywords: Saturable inductor; Zero-voltage- switching; Three- level

1? 引言

??? 目前，在中大功率通信DC/DC電源中，三電平直流變換器（Three-Level DC/DC Converter）成為研究的熱點(diǎn)[1][2]，該拓?fù)淇梢允归_(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，這在有三相PFC輸入的場(chǎng)合（輸出直流一般為760～850V）是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)，它可使低壓開(kāi)關(guān)器件用于高壓上。實(shí)際上，三電平電路是半橋電路的延伸，但與半橋電路的硬開(kāi)關(guān)相比，三電平變換器巧妙結(jié)合移相電路的特點(diǎn)，利用變壓器漏感（或外加諧振電感）和開(kāi)關(guān)管的寄生結(jié)電容諧振實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS。

??? 與傳統(tǒng)的移相全橋ZVS軟開(kāi)關(guān)一樣，對(duì)于滯后臂軟開(kāi)關(guān)，傳統(tǒng)的移相ZVS三電平很難在輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS，并且存在占空比丟失的問(wèn)題。針對(duì)ZVS三電平電路的不足，提出了零電壓零電流（ZVZCS）三電平變換器[3]，其中兩只實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS，另外的兩只實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZCS。但是，電路均會(huì)由于輸出二極管存在反向恢復(fù)問(wèn)題，而引起輸出電壓振蕩，使二極管承受很高的電壓尖峰，而易損壞。

??? 本文提出一種帶輸出飽和電感及續(xù)流二極管的改進(jìn)型ZVS三電平變換器。250W樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，它有效地克服了ZVS電路的不足之處，把三電平變換器和移相控制很好地結(jié)合在一起。與傳統(tǒng)ZVS三電平比較，成本并不會(huì)提高很多，易于實(shí)現(xiàn)中大功率變換。本文將首先闡明它的工作原理，然后提出飽和電感的設(shè)計(jì)思路，以及峰值電流控制模式的穩(wěn)定性分析，最后給出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和波形。

2? 工作原理

??? 圖1中，Q1和Q4是超前橋臂，Q2和Q3是滯后橋臂，Cs是飛跨電容，Dc1和Dc2是箝位二極管，Lr為諧振電感，Ls1和Ls2為輸出飽和電感，Ds為續(xù)流二極管。與傳統(tǒng)的ZVS三電平比較，它增加了次級(jí)飽和電感Ls1、Ls2和輸出續(xù)流二極管Ds。

圖1? 改進(jìn)ZVS三電平電路

??? 一般移相三電平在一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期有12個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，除了正半周和副半周的2個(gè)功率輸出過(guò)程和2個(gè)箝位續(xù)流過(guò)程外，還有超前臂工作期間從死區(qū)時(shí)間開(kāi)始的諧振和換流過(guò)程，以及滯后臂工作期間從死區(qū)時(shí)間開(kāi)始的諧振和換流過(guò)程。

??? 為了實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)關(guān)，超前及滯后臂都必須有足夠的電感量來(lái)吸收開(kāi)關(guān)管寄生電容和變壓器分布電容上的電荷，如下式

???? LI2>Cmos＋Ctr（1）

式中:L為總的參與諧振的電感；

???? Cmos為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管寄生電容的等效值；

???? Ctr為變壓器分布電容等效值。

??? 三電平零電壓超前橋臂由于有勵(lì)磁電感和輸出電感折算值n2Lf參與諧振，因此有足夠的能量在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前臂ZVS。但是，傳統(tǒng)ZVS三電平在滯后臂諧振的時(shí)候兩輸出整流二極管同時(shí)處于續(xù)流狀態(tài)，只有原邊的諧振電感Lr參與諧振，輸出電感和勵(lì)磁電感都不參與諧振換流。由于Lr《n2Lf，相對(duì)于超前臂而言，滯后臂很難在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)在換流過(guò)程，ZVS電路會(huì)發(fā)生副邊占空比丟失。

??? 加入輸出飽和電感和續(xù)流二極管后，改變了滯后臂的換流過(guò)程，勵(lì)磁電感將參與諧振換流。根據(jù)飽和電感的特性，在超前臂Q1和Q4在換流過(guò)程中與傳統(tǒng)的ZVS三電平類(lèi)似，此時(shí)飽和電感由于電流大，處于飽和低阻導(dǎo)通狀態(tài)；滯后臂Q2和Q3換流時(shí)，初級(jí)電流降到勵(lì)磁電流，輸出整流二極管電流趨近于零，飽和電感很快退出飽和，呈現(xiàn)高阻斷狀態(tài)，輸出電流全部流過(guò)續(xù)流二極管Ds，變壓器轉(zhuǎn)化為純電感狀態(tài)，從而啟動(dòng)勵(lì)磁電感參與滯后臂的串聯(lián)諧振。由于等效的諧振電感大大增加，在初級(jí)電流近似不變的條件下，根據(jù)式（1），滯后臂會(huì)有足夠能量吸收寄生電荷，實(shí)現(xiàn)寬范圍ZVS。同時(shí)在加入飽和電感后，由于滯后臂有勵(lì)磁電感參與諧振，諧振條件與負(fù)載關(guān)系不大，所以在設(shè)計(jì)原邊諧振電感時(shí)可以盡量減小該電感，這樣，根據(jù)文獻(xiàn)[2]對(duì)占空比丟失的討論，可以減小副邊占空比丟失。

??? 飽和電感的特性相當(dāng)于磁開(kāi)關(guān)，在電流小于Ic時(shí)，飽和電感不飽和，電感量很大，磁關(guān)斷輸出整流二極管，這樣有效地阻擋了由輸出二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流，從而減小了由二極管寄生電容和變壓器輸出漏感引起的電壓振蕩，同時(shí)減小電壓尖峰。

3? 飽和電感的設(shè)計(jì)

??? 本文討論的是VITROPERM 6050Z鈷基非晶磁芯，它的磁導(dǎo)率為2000～3000，具有非常低的磁芯損耗和非常高的矩形比，當(dāng)電流在接近零時(shí)具有非常大的電感量。這個(gè)很大的電感量可以有效地阻擋由二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流。該磁芯在比較小的電流條件下就可以進(jìn)入飽和。

??? 飽和電感的磁滯回線(xiàn)如圖2所示，其工作過(guò)程如下：到達(dá)工作點(diǎn)1時(shí)（電流導(dǎo)通），磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量。當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，工作點(diǎn)到達(dá)剩磁點(diǎn)2。二極管的反向恢復(fù)效應(yīng)使得電流向小于零的方向減小，這時(shí)，由于鈷基非晶有非常高的磁導(dǎo)率，因此它的電感量很大，有效地抑制了二極管的尖峰電流，實(shí)現(xiàn)了二極管的軟恢復(fù)。由于高電感值，阻止了磁芯工作在工作點(diǎn)3，而留在反向剩磁點(diǎn)4，然后被磁化開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

圖2? 磁滯回線(xiàn)

??? 一般來(lái)講，飽和電感的磁通?必須滿(mǎn)足式（2）。

??????? φ·Sa≥π·trr·Vr·Io?? (2)

式中：Sa為磁芯截面積；

????? J為銅線(xiàn)電流密度；

????? Fcu為銅線(xiàn)填充系數(shù)，對(duì)于繞線(xiàn)磁芯電感，取Fcu=0.3～0.4;對(duì)于銅線(xiàn)徑磁芯電感，取Fcu=1；

????? trr為輸出二極管反向恢復(fù)時(shí)間；

????? Vr為輸出二極管反向電壓；

????? Io為輸出電流。

??? 所以具有中等線(xiàn)電流密度(2A/mm2)的銅線(xiàn)徑磁芯電感，式（2）可以簡(jiǎn)化為

?????? φ·Sa≥1.5·trr·Vr·Io? (3)

??? 飽和電感的線(xiàn)徑dcu為

???? dcu=??? mm??? (4)

??? 所以，繞線(xiàn)圈數(shù)N為

????? N≥π·trr·Vr/φ??? (5)

4? 峰值電流控制的穩(wěn)定性分析

4．1? 峰值電流控制原理

??? 峰值電流型控制是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新控制模式，它具有動(dòng)態(tài)性能好；輸出精度高；增益帶寬大；瞬間限流保護(hù)等特點(diǎn)。目前許多移相控制ZVS多采用此控制系統(tǒng)。當(dāng)然移相三電平ZVS也不例外。

??? 如圖3所示，系統(tǒng)將代表開(kāi)關(guān)管瞬態(tài)電流動(dòng)態(tài)信號(hào)VL與一個(gè)固定開(kāi)關(guān)頻率、幅值很小的鋸齒波信號(hào)Vm相疊加（鋸齒波是斜率補(bǔ)償，下面將會(huì)討論），然后再與參考電壓信號(hào)Ve進(jìn)行比較，共同決定導(dǎo)通橋臂的移相角α。這樣組成了一個(gè)電壓外環(huán)，峰值電流內(nèi)環(huán)的電流型控制系統(tǒng)。4個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比D是固定保持在約50％的，只是導(dǎo)通橋臂移相角α決定了變壓器能量轉(zhuǎn)換的伏秒值，它是既與參考電壓成正比，又與開(kāi)關(guān)管的瞬間電流峰值相關(guān)，這樣保證了開(kāi)關(guān)管的瞬間電流峰值跟隨參考電壓的變化。該控制模式具有與移相控制結(jié)合的能力，并實(shí)現(xiàn)瞬間限流調(diào)整，可以對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)保護(hù)，同時(shí)也可以自動(dòng)保持高頻功率變壓器的動(dòng)態(tài)平衡。

圖3? 峰值電流的反饋電路

4．2? 峰值電流系統(tǒng)斜率補(bǔ)償?shù)挠懻?

??? 在峰值電流型控制中存在一個(gè)比較突出的問(wèn)題，即在連續(xù)模式移相占空比Dα>50％時(shí)，隨著偏移量Δi變化，經(jīng)過(guò)幾個(gè)狀態(tài)周期的推移，偏移量將會(huì)越來(lái)越大，這樣閉環(huán)系統(tǒng)將進(jìn)入不穩(wěn)定，引起次諧波振蕩，電感電流振鈴等。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定需要通過(guò)斜率補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，這樣雖然犧牲了一些系統(tǒng)增益，但會(huì)使系統(tǒng)在移相占空比Dα>50％時(shí)保持穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定性與斜率補(bǔ)償?shù)年P(guān)系如圖4所示。以下是它的斜率補(bǔ)償穩(wěn)定分析。

（a）? 一個(gè)周期的總圖

（b）? 局部放大圖

圖4? 斜率補(bǔ)償圖

??? 由幾何關(guān)系可知

???? Rf·Δi（0）=ac＋ce=ab·m＋ab·m1

??? －Rf·Δi(Ts)=bf－bd=ab·m2－ab·m（6）

式中：m為補(bǔ)償信號(hào)上升斜率；

????? m1為電感檢測(cè)電流上升率；

????? m2為電感檢測(cè)電流下降率。

所以，經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，輸出電感中電流的變化為

???? Δi(Ts)=Δi（0）·?? （7）

同理，經(jīng)過(guò)n個(gè)周期后，輸出電感的電流變化為

????? Δi(n ·Ts)=Δi（0）·? （8）

要系統(tǒng)穩(wěn)定，偏移電流量必須趨近于零，即

????? =|Δi(n·Ts)|=0?? （9）

故系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是

???? <1（10）

因?yàn)樵诜€(wěn)定條件下，D ·m1=(1－D)m2，消去m1，整理后，移相峰值電流控制系統(tǒng)穩(wěn)定充要條件為

????? （11）

??? 由式（11）可知，當(dāng)沒(méi)有斜率補(bǔ)償時(shí)，即m=0，必須要求移相占空比Dα<0.5，這就是理論上不加補(bǔ)償時(shí)，移相占空比Dα>0.5時(shí)系統(tǒng)將不穩(wěn)定；在控制工程實(shí)際中，補(bǔ)償斜率m一般取為m=(0.7～0.8)m2，這樣既保證了系統(tǒng)符合穩(wěn)定條件，又保證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 綜合考慮以上分析，研制了一臺(tái)250W帶輸出飽和電感的三電平ZVS直流變換器。并比較了加入飽和電感和不加飽和電感時(shí)的特性。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

??? Vin=300V；f=100kHz；Vo=47～50V；Io=5A

主要器件設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

??? 移相控制IC:UCC3895

??? Q1～Q4:IRF840

??? Cs:0.68μF/450V

??? Tr:ETD40 PC40;Np:Ns=22:10

??? Lf:190μH

??? Lr:6μH G25－DF57

??? Ls1;Ls2:10×8×46025Z? N=4

??? C1000μF

??? 從實(shí)驗(yàn)波形圖5、圖6可以看到，在負(fù)載為5％Io的輕載條件下，超前和滯后橋臂基本可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)關(guān)，并且波形比較干凈，說(shuō)明開(kāi)關(guān)干擾很小，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。同時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半，約150V。說(shuō)明變換器順利實(shí)現(xiàn)了ZVS三電平。

圖5? 超前臂在5％Io時(shí)vgs和vds波形(CH1-vds;CH2-vgs)

圖6? 滯后臂在5％Io時(shí)vgs和vds波形(CH1-vgs;CH2-vds)

??? 圖7、圖8比較了不帶飽和電感和帶飽和電感時(shí)輸出二極管的波形（Io=5A）。可以看到，實(shí)際波形和理論分析相符合，加入飽和電感時(shí)有效降低了輸出電壓尖峰振蕩，輸出特性穩(wěn)定，防止了輸出二極管的過(guò)沖損壞。

圖7? 不加輸出飽和電感時(shí)輸出二極管兩端波形(Io=5A)

圖8? 加入輸出飽和電感時(shí)輸出二極管兩端波形(Io=5A)

??? 圖9是帶飽和電感原邊電壓波形(Io=5A)，波形與ZVS三電平理論分析一致。

圖9? 加入輸出飽和電感時(shí)變壓器初級(jí)電壓波形（Io=5A）

??? 測(cè)試了此樣機(jī)的效率特性，如圖10所示，比較了帶飽和電感和不帶飽和電感時(shí)的效率曲線(xiàn)。加輸出飽和電感時(shí)，整機(jī)效率要提高1％～3％。這是因?yàn)榇砰_(kāi)關(guān)的作用，它減小了副邊二極管的寄生振蕩，阻止二極管的反向恢復(fù)電流。同時(shí)，由于在輸出依靠外加續(xù)流二極管續(xù)流，諧振電感可以相應(yīng)得到減少，減小了副邊占空比丟失，這樣也降低了原邊換流時(shí)的損耗。另外證明加入的鈷基非晶磁芯損耗很小。

圖10? 效率與輸出負(fù)載的關(guān)系曲線(xiàn)(Vin=300V)

6? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文提出了改進(jìn)型ZVS三電平直流變換器。理論和實(shí)驗(yàn)證明，采用輸出飽和電感啟動(dòng)勵(lì)磁電感，同時(shí)配合輸入諧振電感實(shí)現(xiàn)ZVS三電平的新型電路，是一種簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的零電壓直流變換器。

??? 1）配合零電壓軟開(kāi)關(guān)和三電平電路，集合它們的各自?xún)?yōu)勢(shì)，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS；

??? 2）有效降低輸出二極管的電壓尖峰和寄生振蕩，減少副邊占空比丟失，提高效率；

??? 3）容易實(shí)現(xiàn)峰值電流型的移相控制，控制策略簡(jiǎn)單，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男甭恃a(bǔ)償，就可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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