一種改進(jìn)型零電壓開關(guān)PWM三電平直流變換器的研究

作者：時(shí)間：2011-02-19 來源：網(wǎng)絡(luò)

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（b）局部放大圖

圖4 斜率補(bǔ)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(bǔ)償信號(hào)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(gè)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(gè)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?yàn)樵诜€(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(bǔ)償時(shí)，即m=0，必須要求移相占空比Dα0.5，這就是理論上不加補(bǔ)償時(shí)，移相占空比Dα>0.5時(shí)系統(tǒng)將不穩(wěn)定；在控制工程實(shí)際中，補(bǔ)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(dòng)態(tài)指標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮以上分析，研制了一臺(tái)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(shí)的特性。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

Vin=300V；f=100kHz；Vo=47～50V；Io=5A

主要器件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)波形圖5、圖6可以看到，在負(fù)載為5％Io的輕載條件下，超前和滯后橋臂基本可以實(shí)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(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。同時(shí)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(shí)現(xiàn)了ZVS三電平。

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

圖6 滯后臂在5％Io時(shí)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(shí)輸出二極管的波形（Io=5A）?？梢钥吹剑瑢?shí)際波形和理論分析相符合，加入飽和電感時(shí)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(shí)輸出二極管兩端波形(Io=5A)

圖8 加入輸出飽和電感時(shí)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(shí)變壓器初級(jí)電壓波形（Io=5A）

測試了此樣機(jī)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(shí)的效率曲線。加輸出飽和電感時(shí)，整機(jī)效率要提高1％～3％。這是因?yàn)榇砰_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(shí)，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(shí)的損耗。另外證明加入的鈷基非晶磁芯損耗很小。