三電平直流變換器軟開關(guān)技術(shù)的研究

摘要：分析和比較了三電平直流變換器各種軟開關(guān)拓撲的工作原理和主要特點，并討論了其研究應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，對三電平直流變換器軟開關(guān)技術(shù)的研究方向提出了建議。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；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(shù)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(yīng)用場合。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(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小；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(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)，以達到在提高功率變換器開關(guān)頻率的同時，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(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(guān)技術(shù) 如前所述，為了提高開關(guān)頻率，必須實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。目前相關(guān)文獻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)(ZeroVoltageSwitching)三電平直流變換器[3]和零電壓/零電流開關(guān)(ZeroVoltageandZeroCurrentSwitching)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實現(xiàn)各開關(guān)管的零電壓關(guān)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(yīng)的結(jié)電容兩端電壓達到零，借此來實現(xiàn)開關(guān)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(guān)；

3）開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。