三電平直流變換器軟開關(guān)技術(shù)的研究

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；三電平；直流變換器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(chǎng)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，該方法可使開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。

為了提高三電平直流變換器的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，同時(shí)減小輸出濾波器的體積、重量和造價(jià)，則希望三電平直流變換器的工作頻率越高越好。但是，由于功率開關(guān)器件的非理想特性，通常功率開關(guān)器件是在電壓不為零的情況下開通，在電流不為零的情況下關(guān)斷，這種開關(guān)過程稱為硬開關(guān)過程。在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的功率變換器，隨著開關(guān)頻率的上升，一方面開關(guān)器件的開關(guān)損耗會(huì)成正比地增大，使電路的效率大大降低，處理功率的能力大幅度減??；另一方面，過高的dv/dt和di/dt會(huì)產(chǎn)生越來越嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）。為克服三電平直流變換器在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的諸多問題，提出了各種各樣的軟開關(guān)技術(shù)，以達(dá)到在提高功率變換器開關(guān)頻率的同時(shí)，降低開關(guān)損耗和減少由開關(guān)引起的EMI[1]。

2三電平直流變換器[2]

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能變換裝置的要求越來越高，特別是對(duì)輸入功率因數(shù)的要求越來越高。三相功率因數(shù)校正變換器輸出電壓一般為DC760～800V，有時(shí)甚至達(dá)到1000V，這就要求提高后級(jí)直流變換器開關(guān)管的電壓定額，使得很難選擇合適的開關(guān)管。為了克服這個(gè)問題，Barbi教授提出了三電平直流變換器(Three－levelConverters)的概念，在該變換器中，開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。

三電平直流變換器的基本電路如圖1所示。電

圖1基本的三電平直流變換器

圖2零電壓開關(guān)三電平直流變換器

容Cd1和Cd2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U0。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U0。

3三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)。目前相關(guān)文獻(xiàn)已提出了幾種軟開關(guān)三電平直流變換器，大體上可分為兩類：零電壓開關(guān)(Zero?Voltage?Switching)三電平直流變換器[3]和零電壓/零電流開關(guān)(Zero?VoltageandZero?CurrentSwitching)三電平直流變換器[5]。

3.1零電壓開關(guān)三電平直流變換器

零電壓開關(guān)三電平直流變換器[3]是在基本直流變換器的基礎(chǔ)上，外加了變換電感和電容。如圖2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(duì)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，借此來實(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(jiǎn)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)管和變壓器的原邊繞組中將產(chǎn)生通態(tài)損耗，影響了功率變換器的效率。

3.2寬負(fù)載范圍零電壓開關(guān)三電平直流變換器

為了克服圖2所示電路中當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，變換電感L1k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，文獻(xiàn)[4]提出了寬負(fù)載范圍零電壓開關(guān)三電平直流變換器，電路圖如圖3所示。電路中增加了由電容Ca1、Ca2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L1k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L1k對(duì)結(jié)電容進(jìn)行充放電，使VT2和VT3兩端電壓達(dá)到零，借此來實(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)管的零電壓開關(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Lak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。

3.3零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器

為了消除零電壓開關(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，美國(guó)的F.Canales提出了

圖3寬負(fù)載范圍零電壓開關(guān)三電平直流變換器

()

控制技術(shù)

圖4零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器（1）

圖5零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器（2）

圖6零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器（3）

零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器[5]，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。

電路圖如圖4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：增加了聯(lián)結(jié)電容Css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，聯(lián)結(jié)電容Css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Css的電壓恒為Uin/2。輔助開關(guān)SAUX和鉗位電容CAUX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(duì)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，借此實(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)SAUX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L1k的兩端，變壓器一次側(cè)的電流以斜率NUAUX/L1k線性下降到零，借此來實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關(guān)管的零電流開關(guān)；同時(shí)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CAUX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，文獻(xiàn)[6]提出了另外一種零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器，電路圖如圖5所示。它采用了阻斷電容Cb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VDR1和VDR2同時(shí)導(dǎo)通，使變壓器一、二次側(cè)電壓均為零，因此阻斷電容Cb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(duì)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，借此實(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。

文獻(xiàn)[7]提出了另外一種零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器，電路圖如圖6所示。為了防止變壓器一次側(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

三電平直流變換器軟開關(guān)技術(shù)的研究

加入飽和電感后帶來的負(fù)作用。

4結(jié)語(yǔ)

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)，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)，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)，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。 參考文獻(xiàn)

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