關鍵詞：軟開關；三電平；直流變換器；拓撲結(jié)構(gòu)

1引言

近年來，隨著電力電子技術的發(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用場合。為了減小高壓大功率變換器開關器件的電壓應力，提出了三電平直流變換器的方案，該方法可使開關管的電壓應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態(tài)性能和靜態(tài)性能，同時減小輸出濾波器的體積、重量和造價，則希望三電平直流變換器的工作頻率越高越好。但是，由于功率開關器件的非理想特性，通常功率開關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斷，這種開關過程稱為硬開關過程。在硬開關狀態(tài)下工作的功率變換器，隨著開關頻率的上升，一方面開關器件的開關損耗會成正比地增大，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會產(chǎn)生越來越嚴重的電磁干擾（EMI）。為克服三電平直流變換器在硬開關狀態(tài)下工作的諸多問題，提出了各種各樣的軟開關技術，以達到在提高功率變換器開關頻率的同時，降低開關損耗和減少由開關引起的EMI[1]。

2三電平直流變換器[2]

隨著電力電子技術的發(fā)展，對電能變換裝置的要求越來越高，特別是對輸入功率因數(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，有時甚至達到1000V，這就要求提高后級直流變換器開關管的電壓定額，使得很難選擇合適的開關管。為了克服這個問題，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，開關管的電壓應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，通過控制四只開關管VT1～VT4，在A、B兩點得到了一個幅值為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技術 如前所述，為了提高開關頻率，必須實現(xiàn)開關管的軟開關。目前相關文獻已提出了幾種軟開關三電平直流變換器，大體上可分為兩類：零電壓開關(Zero?Voltage?Switching)三電平直流變換器[3]和零電壓/零電流開關(Zero?VoltageandZero?CurrentSwitching)三電平直流變換器[5]。

3.1零電壓開關三電平直流變換器

零電壓開關三電平直流變換器[3]是在基本直流變換器的基礎上，外加了變換電感和電容。如圖2所示，C1、C2、C3、C4是開關管的結(jié)電容，L1k是變換電感，由外部電感和變壓器的漏感組成。零電壓開關三電平直流變換器利用結(jié)電容C1、C2、C3、C4實現(xiàn)各開關管的零電壓關斷；通過儲存在變換電感L1k中的能量對結(jié)電容進行充放電，使相應的結(jié)電容兩端電壓達到零，借此來實現(xiàn)開關管的零電壓開通。

該電路的優(yōu)點是：

1）電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單；

2）負載波動不大時，基本上實現(xiàn)了零電壓開關；

3）開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。

該電路的缺點是：

1）雖然開關管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現(xiàn)零電壓開關，但是VT2和VT3只能利用變換電感來實現(xiàn)零電壓開關，由于變換電感一般較小，在負載較小時，其能量不足以實現(xiàn)零電壓開關； 2）在零狀態(tài)時，一次側(cè)不向負載提供能量，但一次側(cè)有環(huán)流存在，在開關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寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器

為了克服圖2所示電路中當負載較輕時，變換電感L1k中的能量不足以實現(xiàn)內(nèi)部開關管的零電壓開關的問題，文獻[4]提出了寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器，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。該電路通過開關管的結(jié)電容實現(xiàn)開關管的零電壓關斷。當負載較輕時，儲存在變換電感L1k中的能量較少，不足以實現(xiàn)內(nèi)部開關管的軟開通，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對結(jié)電容進行充放電，使VT2和VT3兩端電壓達到零，借此來實現(xiàn)內(nèi)部開關管的零電壓開通。

該電路的優(yōu)點是：

1）克服了內(nèi)側(cè)開關管在負載較輕時，不能實現(xiàn)軟開通的缺點，在相當寬的負載范圍內(nèi)，均可實現(xiàn)開關管的零電壓開關；

2）開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。

該電路的缺點是：

1）在零狀態(tài)時，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三電平直流變換器

為了消除零電壓開關三電平直流變換器零狀態(tài)時變壓器原邊存在的環(huán)流，美國的F.Canales提出了

圖3寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器

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控制技術

圖4零電壓零電流開關三電平直流變換器（1）

圖5零電壓零電流開關三電平直流變換器（2）

圖6零電壓零電流開關三電平直流變換器（3）

零電壓零電流開關三電平直流變換器[5]，實現(xiàn)了開關管VT1、VT4的零電壓開關和開關管VT2、VT3的零電流開關，并消除了零電壓開關三電平直流變換器零狀態(tài)時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。這個電路和零電壓開關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的開關過程連接起來，在變換器穩(wěn)態(tài)工作時，電容Css的電壓恒為Uin/2。輔助開關SAUX和鉗位電容CAUX使變壓器一次側(cè)電流復位為零，以實現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關管的零電流開關。外側(cè)開關管VT1和VT4利用結(jié)電容C1和C4實現(xiàn)了零電壓關斷；利用漏感和輸出電感中的能量對結(jié)電容C1和C4進行充放電，使VT1和VT4兩端電壓達到零，借此實現(xiàn)外側(cè)開關管的零電壓開通。當變換器處于零狀態(tài)時，輔助開關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，借此來實現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關管的零電流開關；同時由于一次側(cè)電流為零，不能提供負載電流，此時負載的能量由鉗位電容CAUX來提供。

該電路的優(yōu)點是：

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

2）消除了零狀態(tài)時變壓器一次側(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）開關管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。

該電路的缺點是：增加了輔助開關，電路較復雜。

目前，文獻[6]提出了另外一種零電壓零電流開關三電平直流變換器，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)時減小到零，從而實現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關管的零電流開關。零狀態(tài)時，由于一次側(cè)電流減小，不足以提供負載電流，此時輸出整流管VDR1和VDR2同時導通，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實現(xiàn)了外側(cè)開關管的零電壓關斷；利用漏感和輸出電感中的能量對結(jié)電容C1和C4進行充放電，使VT1和VT4兩端電壓達到零，借此實現(xiàn)外側(cè)開關管的零電壓開通。

為了防止一次側(cè)電流在零狀態(tài)時減小到零后繼續(xù)反方向流動，必須切斷一次側(cè)電流的反向通路，在變壓器一次電路中，串入一個飽和電感Ls，在零狀態(tài)時，飽和電感工作在線性狀態(tài)，防止一次電流反向流動。在＋1狀態(tài)和－1狀態(tài)時，飽和電感工作在飽和狀態(tài)。

該電路有兩個缺點：

1）飽和電感損耗較大，限制了開關頻率的提高；

2）飽和電感較難設計，容易導致較大的占空比

丟失。

文獻[7]提出了另外一種零電壓零電流開關三電平直流變換器，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)時減小到零后繼續(xù)反方向流動，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技術的研究

加入飽和電感后帶來的負作用。

4結(jié)語

由以上的分析可以看出，零電壓開關三電平直流變換器在負載較小時不足以實現(xiàn)內(nèi)側(cè)開關管的零電壓開關，而且在零狀態(tài)時，變壓器一次側(cè)存在環(huán)流，降低了變換器的效率；寬負載范圍零電壓開關三電平直流變換器雖然克服了內(nèi)側(cè)開關管在負載較輕時不能實現(xiàn)軟開通的缺點，但是在零狀態(tài)時，變壓器一次側(cè)環(huán)流仍然存在。零電壓零電流開關三電平直流變換器在很寬的負載范圍內(nèi)，不僅實現(xiàn)了所有開關管的零電流開關，使之不受負載范圍和輸入電壓的影響，而且消除了零狀態(tài)時變壓器一次側(cè)存在的環(huán)流，提高了變換器的效率。因此，可以預言在三電平直流變換器軟開關技術中，零電壓零電流開關三電平直流變換器將成為研究熱點，并將應用于工程實踐中。 參考文獻

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