三電平軟開關(guān)變換器

近年來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)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(yīng)用場合?為了減小高壓大功率變換器開關(guān)器件的電壓應(yīng)力,提出了三電平直流變換器的方案,可使開關(guān)管的電壓應(yīng)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(guān)管VT1~VT4,在A?B兩點(diǎn)得到了一個(gè)幅值為Uin/2的交流方波電壓UAB?經(jīng)過高頻變壓器和輸出整流橋后,在C?D兩點(diǎn)得到幅值為Uin/2N的直流脈沖電壓,再經(jīng)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(shù)比?通過調(diào)節(jié)Ucd的占空比,就可以調(diào)節(jié)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(guān)技術(shù)

  如前所述,為了提高開關(guān)頻率,必須實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)?相關(guān)文獻(xiàn)提出的幾種軟開關(guān)三電平直流變換器,大體上可分為兩類:零電壓開關(guān)三電平直流變換器和零電壓/零電流開關(guān)三電平直流變換器?

  零電壓開關(guān)三電平直流變換器基本是在直流變換器的基礎(chǔ)上,外加了變換電感和電容如圖4-24所示,C1?C2?C3?C4是開關(guān)管的結(jié)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(guān)三電平直流變換器利用結(jié)電容C1?C2?C3?C4實(shí)現(xiàn)各開關(guān)管的零電壓關(guān)斷;通過儲(chǔ)存在變換電感L1K中的能量對結(jié)電容進(jìn)行充放電,使相應(yīng)的結(jié)電容兩端電壓達(dá)到零,以此來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通?

該電路的優(yōu)點(diǎn)是:

  ①電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單

  ②負(fù)載波動(dòng)不大時(shí),基本上實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)

  ③開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。

  該電路的缺點(diǎn)是

①雖然開關(guān)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(shù)值很大)和變換電感很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),但是VT2和VT3只能利用變換電感來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)?由于變換電感一般較小,在負(fù)載較小時(shí),其能量不足以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)?

 ②在零狀態(tài)時(shí),一次側(cè)不向負(fù)載提供能量,但一次側(cè)有環(huán)流存在,在開關(guān)管和電源適配器變壓器的原邊繞組中將產(chǎn)生通態(tài)損耗,影響功率變換器的效率?

  為了克服電路中當(dāng)負(fù)載較輕時(shí),變換電感L1中的能量不足以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)管的零電壓開關(guān)的問題,提出了寬負(fù)載范圍零電壓開關(guān)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(guān)管的結(jié)電容實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷?當(dāng)負(fù)載較輕時(shí),儲(chǔ)存在變換電感LK中的能量較少,不足以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)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(jié)電容進(jìn)行充放電,使VT2和VT3兩端電壓達(dá)到零,以此來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)管的零電壓開通?該電路的優(yōu)點(diǎn)是:

①克服了內(nèi)側(cè)開關(guān)管在負(fù)載較輕時(shí),不能實(shí)現(xiàn)軟開通的缺點(diǎn),在相當(dāng)寬的負(fù)載范圍內(nèi),均可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管理體制零電壓開關(guān)?

②開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半?

  該電路的缺點(diǎn)是:

①在零狀態(tài)時(shí),一次側(cè)環(huán)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(dǎo)致了環(huán)流能量的增加?因此,造成了通態(tài)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(guān)三電平直流變換器零狀態(tài)時(shí)電源適配器變壓器原邊存在的環(huán)流,美國的F. CANALES提出了零電壓?零電流開關(guān)三電平直流變換器,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管VT1?VT4的零電壓開關(guān)和開關(guān)管VT2?VT3的零電流開關(guān),并消除了零電壓開關(guān)三電平直流變換器零狀態(tài)時(shí)變壓器原邊存在的環(huán)流,減少了通態(tài)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(gè)電路和零電壓開關(guān)三電平直流變換器的主要差別在于:增加了連結(jié)電容Cs以及在變壓器二次繞組中增加了輔助開關(guān)SAux和鉗位電容CAUx,連結(jié)電容Cs分別將外側(cè)管VT1、 VT4和內(nèi)側(cè)管VT2?VT3的開關(guān)過程連接起來?在變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí),電容Cs的電壓恒為U?/2?輔助開關(guān)SAx和鉗位電容CAx使變壓器一次側(cè)電流復(fù)位為零,以實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電流開關(guān)?外側(cè)開關(guān)管vT1和VT4利用結(jié)電容C1和C4實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷;利用漏感和輸出電感中的能量對結(jié)電容C1和C4進(jìn)行充放電,使VT1和VT4兩端電壓達(dá)到零,以此來實(shí)現(xiàn)外側(cè)開關(guān)管的零電壓開通?當(dāng)變換器處于零狀態(tài)時(shí),輔助開關(guān)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(cè)的電流以斜率NUAUX/L1K線性下降到零,以此來實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電流開關(guān);由于一次側(cè)電流為零,不能提供負(fù)載電流,此時(shí)負(fù)載的能量由鉗位電容CAx來提供?該電路的優(yōu)點(diǎn)是

①在很寬的負(fù)載范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了外側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān)和內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電流開關(guān)，且不受負(fù)載范圍和輸入電壓的影響;

②消除了零狀態(tài)時(shí)變壓器一次側(cè)存在的環(huán)流,減少了通態(tài)損耗,提高了功率變換器的效率;

③開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。

該電路的缺點(diǎn)是:增加了輔助開關(guān),電路較復(fù)雜

目前,有人提出了另外一種零電壓零電流開關(guān)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(cè)電流在零狀態(tài)時(shí)減小到零,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電流開關(guān)?零狀態(tài)時(shí),由于一次側(cè)電流減小,不足以提供負(fù)載電流?此時(shí),輸出整流管VD22和VD23同時(shí)導(dǎo)通,使電源適配器變壓器一?二次側(cè)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(cè)電流很快減小到零?利用結(jié)電容C1和C4實(shí)現(xiàn)了外側(cè)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷;利用漏感和輸出電感中的能量對結(jié)電容C1和C4進(jìn)行充放電,使VT1和VT4兩端電壓達(dá)到零,以此來實(shí)現(xiàn)外側(cè)開關(guān)管的零電壓開通為了防止一次側(cè)電流在零狀態(tài)時(shí)減小到零后繼續(xù)反方向流動(dòng),必須切斷一次側(cè)電流的反向通路,在變壓器一次電路中,串入一個(gè)飽和電感Ls?在零狀態(tài)時(shí),飽和電感工作在線性狀態(tài),防止一次電流反向流動(dòng);在+1狀態(tài)和-1狀態(tài)時(shí),飽和電感工作在飽和狀態(tài)?該電路有兩個(gè)缺點(diǎn):

①飽和電感損耗較大,限制了開關(guān)頻率的提高;

②飽和電感較難設(shè)計(jì),容易導(dǎo)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(guān)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(cè)電流在零狀態(tài)時(shí)減小到零后繼續(xù)反方向流動(dòng),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(fù)作用。

  由以上的分析可以看出,零電壓開關(guān)三電平直流變換器在負(fù)載較小時(shí)不足以實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān),而且在零狀態(tài)時(shí),電源適配器變壓器一次側(cè)存在環(huán)流,降低了變換器的效率;寬負(fù)載范圍零電壓開關(guān)三電平直流變換器,雖然克服了內(nèi)側(cè)開關(guān)管在負(fù)載較輕時(shí)不能實(shí)現(xiàn)軟開通的缺點(diǎn),但是在零狀態(tài)時(shí),電源適配器變壓器一次側(cè)環(huán)流仍然存在?零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器在很寬的負(fù)載范圍內(nèi),不僅實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的零電流開關(guān),并使之不受負(fù)載范圍和輸入電壓的影響,而且消除了零狀態(tài)時(shí)變壓器一次側(cè)存在的環(huán)流,提高了變換器的效率?因此可以預(yù)言:在三電平直流變換器軟開關(guān)技術(shù)中,零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器將成為研究熱點(diǎn),并將應(yīng)用于工程實(shí)踐中?