采用变压器次级辅助绕组的软开关PWM三电平变换器
采用变压器次级辅助绕组的软开关pwm三电平变换器
摘要：提出一种新型的zvzcspwm三电平直流变换器，在变压器的次级侧附加一个辅助绕组，整流得到的辅助电压，为滞后管创造零电流条件，较好地解决了滞后管轻载下软开关难的问题。新的主电路拓扑减小了高压下功率器件的电压应力。分析了各时段的工作原理，并提供了设计参考和实验结果。
关键词：三电平变换器；零压开关；零流开关；移相脉宽调制
1 引言
随着科技的发展，谐波污染问题越来越引起人们的关注，有源功率因数校正（apfc，active power factor correction）技术是解决谐波污染的有效手段。而三相功率因数校正变换器的前级输出直流电压一般为760～800v，有时甚至高达1000v，这就要求提高后级变换器开关管的电压定额，但是，很难选择到合适的开关管[1]。另外，高频化也是变换器发展的方向，但是随着开关频率的提高，开关损耗也成比例地增加。本文提出了一种新颖的zvzcspwm三电平变换器，使开关管承受的电压应力为输入直流电压的一半，并使开关损耗减小，从而较好地解决了上述两个问题，克服了文献[2]－[3]中所提出的zvzcs三电平变换器的部分缺点，其主电路如图1所示。它采用移相控制，其中c1和c2是分压电容，其容量相等，并且很大，均分输入电压vin，即vc1=vc2=vs=vin/2。lk是变压器初级漏感，d5，d6是箝位二极管，s1和s4是超前管，c3和c4分别是s1和s4的并联电容，s2和s3是滞后管。css为联接电容，分别将两只超前管和两只滞后管的开关过程连接起来。ch是维持电容，它使初级电流复位，从而实现滞后管的zcs，并防止初级电流ip反向流动。lf是输出滤波电感，cf是输出滤波电容，r为负载。
图1 主电路拓扑
2 工作原理及软开关效果
zvzcspwmtl直流变换器有9个工作模式，对应的工作波形如图2所示。
图2 工作波形图
在分析工作模式前作如下假设：
1）所有开关管、二极管均为理想器件；
2）所有电感、电容均为理想元件；
3）电容css足够大，稳态工作时，css的电压恒定为vin/2；
4）输出滤波电感lf足够大，其电流为输出电流io，可以认为是一个恒流源；
5）c3=c4=cr。
2.1 工作原理[4][5]
模式1（t0～t1） t0以前s1已开通，t0时刻s2导通，此时vab=vs=vin/2。由于lk的存在，ip不能突变，所以s2是零电流开通。ip逐渐增加，但还不足以提供负载电流，d7与d8依然同时导通，变压器次级绕组被钳位在零电压，变压器辅助绕组上的电压也为零。初级电流如式(1)线性增加
ip=t (1)
模式2（t1～t2） 在t1时刻，ip=nio(n=n2/n1)，初级开始为负载提供能量。辅助电路中的d9导通，维持电容电压vch开始充电上升。维持电容的电压和充电电流由式（2），式（3）给出
vch(t)=navs[1－cos(ωat)] （2）
ich(t)=－sin(ωat) （3）
式中：za=为谐振电路的特征阻抗；
ωa=为谐振频率；
na=n3/n1为变压器辅助绕组与初级绕组的匝比，它小于变压器次级与初级匝比n=n2/n1的一半（忽略漏感和次级整流二极管的结电容间的寄生影响，以简化工作过程的分析）。
模式3（t2～t3） t2时刻，lk与ch完成了半个谐振周期，vch=2navs，电容ch试图通过dh放电，然而vch
图4 s1集 电 极 电 压 与 驱 动 波 形
vin=600 v 10μs/div
图5 s1与s2集 电 极 电 压 波 形 vin=600 v 10μs/div
图6 变压器初级电流波形 10μs/div 10a/div 图7 s1零压开通波形1：vcel(50v/div) 2:icl(10a/div) 1μs/div
图8 s1零压关断波形1：vcel(50v/div) 2:icl(10a/div) 1μs/div
图9 s2零流关断波形1：vce2(50v/div) 2:ic2(10a/div) 1μs/div 4 结语 本文提出了一种zvzcspwm三电平变换器，分析了它的工作原理及设计应考虑的因素。并进行了电路实验。开关管承受的电压应力为输入直流电压的一半，因此，该变换器适用于输入电压 较高的场合。采用变压器辅助线圈和简单的辅助电路获得zvzcs，大大地降低了开关损耗使变换器可以工作在较高的开关频率。这种变换器优点明显，如可以在较宽的负载范围内实现软开关，占空比损失小，成本低等。
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