一種改進型零電壓開關(guān)PWM三電平直流變換器的研究

（b） 局部放大圖

圖4 斜率補償圖

由幾何關(guān)系可知

Rf·Δi（0）=ac＋ce=ab·m＋ab·m1

－Rf·Δi(Ts)=bf－bd=ab·m2－ab·m（6）

式中：m為補償信號上升斜率；

m1為電感檢測電流上升率；

m2為電感檢測電流下降率。

所以，經(jīng)過一個開關(guān)周期后，輸出電感中電流的變化為

Δi(Ts)=Δi（0）· （7）

同理，經(jīng)過n個周期后，輸出電感的電流變化為

Δi(n ·Ts)=Δi（0）· （8）

要系統(tǒng)穩(wěn)定，偏移電流量必須趨近于零，即

=|Δi(n·Ts)|=0 （9）

故系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是

1（10）

因為在穩(wěn)定條件下，D ·m1=(1－D)m2，消去m1，整理后，移相峰值電流控制系統(tǒng)穩(wěn)定充要條件為

（11）

由式（11）可知，當(dāng)沒有斜率補償時，即m=0，必須要求移相占空比Dα0.5，這就是理論上不加補償時，移相占空比Dα>0.5時系統(tǒng)將不穩(wěn)定；在控制工程實際中，補償斜率m一般取為m=(0.7～0.8)m2，這樣既保證了系統(tǒng)符合穩(wěn)定條件，又保證了系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)。

5 實驗結(jié)果

綜合考慮以上分析，研制了一臺250W帶輸出飽和電感的三電平ZVS直流變換器。并比較了加入飽和電感和不加飽和電感時的特性。樣機的實驗參數(shù)如下：

Vin=300V；f=100kHz；Vo=47～50V；Io=5A

主要器件設(shè)計參數(shù)如下：

移相控制IC:UCC3895

Q1～Q4:IRF840

Cs:0.68μF/450V

Tr:ETD40 PC40;Np:Ns=22:10

Lf:190μH

Lr:6μH G25－DF57

Ls1;Ls2:10×8×46025Z N=4

C1000μF

從實驗波形圖5、圖6可以看到，在負載為5％Io的輕載條件下，超前和滯后橋臂基本可以實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，并且波形比較干凈，說明開關(guān)干擾很小，實現(xiàn)了軟開關(guān)。同時開關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半，約150V。說明變換器順利實現(xiàn)了ZVS三電平。

圖5 超前臂在5％Io時vgs和vds波形(CH1-vds;CH2-vgs)

圖6 滯后臂在5％Io時vgs和vds波形(CH1-vgs;CH2-vds)

圖7、圖8比較了不帶飽和電感和帶飽和電感時輸出二極管的波形（Io=5A）?？梢钥吹剑瑢嶋H波形和理論分析相符合，加入飽和電感時有效降低了輸出電壓尖峰振蕩，輸出特性穩(wěn)定，防止了輸出二極管的過沖損壞。

圖7 不加輸出飽和電感時輸出二極管兩端波形(Io=5A)

圖8 加入輸出飽和電感時輸出二極管兩端波形(Io=5A)

圖9是帶飽和電感原邊電壓波形(Io=5A)，波形與ZVS三電平理論分析一致。

圖9 加入輸出飽和電感時變壓器初級電壓波形（Io=5A）

測試了此樣機的效率特性，如圖10所示，比較了帶飽和電感和不帶飽和電感時的效率曲線。加輸出飽和電感時，整機效率要提高1％～3％。這是因為磁開關(guān)的作用，它減小了副邊二極管的寄生振蕩，阻止二極管的反向恢復(fù)電流。同時，由于在輸出依靠外加續(xù)流二極管續(xù)流，諧振電感可以相應(yīng)得到減少，減小了副邊占空比丟失，這樣也降低了原邊換流時的損耗。另外證明加入的鈷基非晶磁芯損耗很小。

圖10 效率與輸出負載的關(guān)系曲線(Vin=300V)

6 結(jié)語

本文提出了改進型ZVS三電平直流變換器。理論和實驗證明，采用輸出飽和電感啟動勵磁電感，同時配合輸入諧振電感實現(xiàn)ZVS三電平的新型電路，是一種簡單、可靠、經(jīng)濟實用的零電壓直流變換器。

1）配合零電壓軟開關(guān)和三電平電路，集合它們的各自優(yōu)勢，在較寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS；

2）有效降低輸出二極管的電壓尖峰和寄生振蕩，減少副邊占空比丟失，提高效率；

3）容易實現(xiàn)峰值電流型的移相控制，控制策略簡單，只要進行適當(dāng)?shù)男甭恃a償，就可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。