一種新型的零電壓零電流三電平變換器的研究

摘要：針對(duì)采用IGBT的軟開關(guān)三電平變換器中IGBT關(guān)斷過程存在的電流拖尾現(xiàn)象，以及基本三電平拓?fù)渥儔浩鞔渭?jí)存在的電壓過沖和電壓振蕩現(xiàn)象，提出了改進(jìn)型ZVZCS三電平結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在基于拓?fù)涞娜娖綐虮蹅?cè)和兩電平橋臂側(cè)分別加入了一個(gè)無源輔助網(wǎng)絡(luò)，三電平橋臂側(cè)的輔助變壓器在續(xù)流階段為主變壓器初級(jí)電流回零提供了條件，兩電平橋臂的諧振電感和箍位二極管有效地抑制了主變壓器次級(jí)電壓的過沖現(xiàn)象。詳細(xì)分析了改進(jìn)拓?fù)涞墓ぷ髟怼⒐ぷ髂B(tài)，以及輔助網(wǎng)絡(luò)的工作特點(diǎn)，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性以及改進(jìn)拓?fù)涞目尚行浴?br />關(guān)鍵詞：三電平變換器；ZVZCS；輔助網(wǎng)絡(luò)；IGBT

0 引言
隨著電工領(lǐng)域各種技術(shù)的全面發(fā)展，人們根據(jù)電源的應(yīng)用場合，對(duì)電源提出了高壓大功率、高次級(jí)頻化等的要求越來越強(qiáng)烈。多電平變換器也就是在這種背景下成為高壓大功率變換研究的熱點(diǎn)。其中三電平(Three Level)變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，因此適用于輸入和／或輸出電壓較高的場合。而有些變換器如Buck，Boost，BLlck—Boost，Cuk，Sepic，Zeta等TL變換器還可以大大減小儲(chǔ)能元件如電感、電容的大小，從而改善變換器的動(dòng)態(tài)性能，減小體積重量。
本文基于IGBT器件自身的特點(diǎn)，提出了新型的ZVZCS全橋三電平DC—DC變換器。對(duì)這種新型變換器的工作原理、電路工作模式、軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)以及各個(gè)階段的電路變量參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行深入的研究。從而探討提高開關(guān)電源的效率、減小體積提高功率密度，減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高壓大容量等實(shí)際應(yīng)用問題。

1 主電路拓?fù)浼霸矸治?br /> 在本文中，主要的研究對(duì)象是傳統(tǒng)的ZVZCS全橋三電平DC—DC變換器，所采用的開關(guān)器件是IGBT。IGBT是一種復(fù)合器件，關(guān)斷時(shí)的電流拖尾導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，如果在關(guān)斷前使它的電流降為零，則可以顯著地降低開關(guān)損耗，另外變壓器次級(jí)整流二極管兩端電壓存在電壓過沖及振蕩現(xiàn)象。
本文提出的拓?fù)?，保留了基本ZVZCS三電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，即斬波管與超前管能在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。并且提出了一種新方法來實(shí)現(xiàn)兩電平橋臂開關(guān)管的ZCS，即在三電平橋臂一側(cè)加入無源輔助網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通過在兩電平橋臂一側(cè)加入無源輔助網(wǎng)絡(luò)，有效抑制了變壓器次級(jí)整流二極管的電壓振蕩和電壓尖峰。
圖1所示的電路為改進(jìn)拓?fù)涞闹麟娐穲D，即具有雙邊無源輔助網(wǎng)絡(luò)的ZVZCS三電平直流變換器的主電路。

改進(jìn)拓?fù)涞拿堪雮€(gè)工作周期有11個(gè)工作模態(tài)，此處只對(duì)前半個(gè)工作周期的工作模態(tài)進(jìn)行分析，后半個(gè)周期與前半個(gè)周期相類似，此處不再贅述。圖2為改進(jìn)拓?fù)涞闹饕ぷ鞑ㄐ巍?/p>

分析之前，先做如下假設(shè)：所有的開關(guān)管和二極管均為理想元件；所有的電容和電感均為理想器件且C1=C2=C3=C4=Cr；分壓電容Cd1，Cd2和飛跨電容Css認(rèn)為是一個(gè)恒壓源，電壓值為Uin／2；輸出濾波電感Lf在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，可以將輸出電流認(rèn)為是一個(gè)恒流源。