三电平软开关直流变换器典型拓扑分析

1    引言

    近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，三电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案受到越来越多的关注。三电平^[1]大大降低了开关管的电压等级，这样有利于减小开关损耗，提高效率，降低成本。为了减小变换器的体积和重量，高频化是电力电子学一直追求的目标，伴随着高频化，功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，成为降低开关损耗，提高系统效率以及改善EMI问题的一个重要手段。

    三电平零电压软开关直流变换器即是由此应运而生的一种新型，实用的拓扑，通过采用移相控制技术，利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关。通过高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电使开关管两端电压下降为零，使变换器4个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中的电磁干扰，为变换器提高开关频率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的条件。

    但在实际应用中，三电平零电压软开关（ZVS）变换器存在着几个较难克服的问题，从而出现了一系列改进拓扑。为此，本文系统地总结和分析了目前较为实用和典型的三电平零电压软开关变换器拓扑。

2    传统三电平零电压软开关直流变换器优缺点

    传统的三电平ZVS软开关直流变换器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，简称TL-ZVS DC/DC converter）如图1所示。其拓扑特点^[2]是引入大容量飞跨电容C_ss，变换器工作时其电压稳定在V_in/2，使得超前管、滞后管实现软开关的条件相互独立，互不干扰；并且将移相技术与软开关技术结合起来，能很好地降低电路中的损耗，提高效率。因此，非常适合高输入电压中大功率场合。

图1    传统的三电平移相全桥ZVS变换器

    但是，传统的三电平ZVS软开关直流变换器也存在不少问题。诸如

    1）滞后臂在轻载情况下很难实现软开关，使得它不适合应用于负载大范围变化的场合；

    2)环流能量大大增加，输入V_in越高，变换器效率越低，因为，V_in越高，零状态时间越长；在零状态时，原边电流处于自然续流状态，一次侧没有能量传递到输出级，而在变压器，谐振电感和开关管中却存在通态损耗；

    3）由于谐振电感的存在，使得变压器副边有占空比丢失现象，变压器漏感L_1k越大，占空比损失D_loss越大，D_loss使次级占空比D_sec减小；

    4）副边整流二极管电压尖峰大。

3    改进拓扑分析

3.1    滞后臂轻载软开关的实现

    参见图1，为了改善传统的三电平FB-ZVS变换器滞后臂的零电压开关负载范围，一个最直接的方法就是增加变压器的漏感或在变压器原边串接一个电感L_r，以增大谐振电感的储能，使之在轻载下也可以实现对滞后臂开关管并联电容的完全充放电，实现滞后臂开关管的零电压导通。但这样做有以下缺点。

    1)环流能量进一步增加    设变换器的零电压导通负载范围为I_o≥I_omin，I_omin=20％I_omax（I_omax为变换器满载运行时输出电流值）。当变换器以20％负载运行时，滞后臂开关管关断时的电感储能为

    E_min=(L_lk＋L_r)I_omin²/(2n²)

    当以满载运行时，电感储能

    E_max=(L_lk＋L_r)I_omax²/(2n²)

    从而有

    =25

    这说明，满载运行时，系统环流能量将是滞后臂开关管零电压导通实际所需能量的25倍。这将直接导致变换器通态损耗大大增加。

    2）进一步增加了副边电压占空比ΔD丢失    主要原因是电感的增加导致原边电流从一个方向向另一个方向变化的斜率V_in/(L_lk＋L_r)变小。副边整流管换流过程中，两二极管同时导通，副边电压箝位在零，电压V_ab上升到电源电压V_in，原边电流可近似看作以斜率V_in/L_lk线性变化，斜率越小，变化时间段间隔越长，占空比损耗越大。由ΔD=可知，占空比损耗加大（f_s为开关频率）。

    3）加剧了漏感与副边整流二极管结电容的寄生振荡，使二次侧整流管耐压值增加。

3.2    引入滤波电感谐振扩大零电压开关负载范围

    如图2所示，该改进拓扑使用了两个饱和电感S₅，S₆作为开关，分别与输出整流二极管的阳极相串联。超前臂的关断过程与传统的三电平ZVS变换器一样。此拓扑是在滞后臂开关管进行状态转换的短暂期间，使副边整流二极管不能同时导通，则输出滤波电感n₂L_out可被用来参与谐振，由于输出滤波电感远远大于变压器漏感，因此，大大扩展了滞后臂开关管的零电压负载范围。该拓扑的特点是由于漏感不再是实现ZVS必不可少的元件，因此可以很小，这样占空比损失和副边整流二极管的寄生振荡也大大降低。

图2    具有输出滤波电感的三电平移相全桥ZVS变换器

3.3    利用倍流整流电路扩大零电压开关负载范围

    文献[6]提出了用移相控制三电平倍流整流零电压开关变换器来扩大零电压开关负载范围。倍流整流是从全波整流方式演化而来的，即用两个独立的，大小相同的电感代替全桥整流拓扑中的一组整流管，仍保持“全波整流”的形式，实质是两个电感交错并联。因而，该拓扑除具有前述电路的优点外，还由于副边整流二极管自然换流，从而避免了反向恢复造成的电压尖峰和电压振荡。该拓扑如图3所示。

图3    三电平倍流整流移相全桥ZVS变换器

3.4    利用变压器励磁电感扩大零电压开关负载范围

    从前面变换器的讨论中可以看出，在滞后臂开关管关断的谐振过程中，虽然励磁电感L_m具有较大的数值，但由于原副边的短路，它基本上无法参与谐振。只有当励磁电流i_Lm大于副边反射电流I_o/n时，励磁电感L_m才可能参与谐振^[3]。因而，在具有变压器励磁电感三电平移相全桥ZVS变换器中，增加了两个开关管S₅，S₆（用于使副边开路），分别与输出整流二极管阴极相串联，同时在副边增加了一个续流二极管（副边开路后续流）。S₅，S₆可以用磁放大器构成的饱和电抗器构成。在这个电路中，变压器漏感很小，滞后臂开关管关断后，通过使励磁电感Lm参与谐振，保证开关管在轻负载下的零电压导通。

    合理选择变压器励磁电感的参数，可使变换器从空载到满载整个范围内，满足开关管零电压开关条件，即零电压开关条件与负载无关，同时保持了较小的环流。改拓扑还有一个显著优点是输出电压可以通过变压器副边开关调节，原边保持恒定占空比，这种调节方式一方面加速系统的动态响应，另一方面简化了控制电路，无需考虑原副边隔离。该拓扑如图4所示。

图4    具有变压器励磁电感三电平移相全桥ZVS变换器

3.5    采用ZVZCS电路

    ZVZCS电路是针对ZVS电路的不足而产生的一种新型拓扑，通过加入箝位电路使原边电流复零，可在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后臂的软开关，同时由于原边电流复位不存在环流，减小了通态损耗。克服了饱和电感带来的缺点，有效地提高了占空比。

    原边电流复位的方法总结起来主要有3种：

    1）在变压器原边使用隔直电容和饱和电感（见图5），在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位^[4]；

图5    隔直电容和饱和电感复位

    2）在变压器副边整流器输出端并联电容（见图6），在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位^[5]；

图6    电容电压复位

    3）利用超前臂开关管的反向雪崩击穿，使存储在变压器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT中，为滞后臂提供零电流开关的条件。

4    结语

    本文主要分析了传统的三电平软开关直流变换器存在的缺点及其改进的拓扑，归纳总结了改进的一般方法。三电平以其高效率，适用于高压，大功率，拓扑简单等一系列优点而得到越来越广泛的应用。根据当前三电平软开关直流变换器研究和应用现状，仍有以下几个方面应引起研究者关注：

    1）软开关的应用并未达到令人满意的程度，最近又出现了以谐振变换器代替软开关的提法，如何将两者更好地结合，充分发挥各自的优点，是一个值得关注的方向；

    2）三电平的控制方法很少有人研究，能否采用更好的控制方法在实现高的控制性能的同时，又能简化控制的复杂性，相信这是今后研究的一个热点。