關鍵詞：軟開關；三電平；直流變換器；拓撲結構

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。通過調節(jié)uCD的占空比，就可以調節(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中的能量對結電容進行充放電，使相應的結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）電路拓撲結構簡單；

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，一次側不向負載提供能量，但一次側有環(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)內部開關管的零電壓開通。

該電路的優(yōu)點是：

1）克服了內側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，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

()

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)結電容Css分別將外側管VT1、VT4和內側管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使變壓器一次側電流復位為零，以實現(xiàn)內側開關管的零電流開關。外側開關管VT1和VT4利用結電容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，變壓器一次側的電流以斜率NUAUX/L1k線性下降到零，借此來實現(xiàn)內側開關管的零電流開關；同時由于一次側電流為零，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，實現(xiàn)了外側開關管的零電壓開關和內側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，使變壓器一次側電流在零狀態(tài)時減小到零，從而實現(xiàn)內側開關管的零電流開關。零狀態(tài)時，由于一次側電流減小，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，使一次側電流很快減小到零。利用結電容C1和C4實現(xiàn)了外側開關管的零電壓關斷；利用漏感和輸出電感中的能量對結電容C1和C4進行充放電，使VT1和VT4兩端電壓達到零，借此實現(xiàn)外側開關管的零電壓開通。

為了防止一次側電流在零狀態(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)內側開關管的零電壓開關，而且在零狀態(tài)時，變壓器一次側存在環(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側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，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

[1]鄧焰.橋式逆變電路無源無損耗吸收技術研究[D].浙

江大學博士學位論文，2000.

[2]阮新波，嚴仰光.軟開關PWM三電平直流變換器[J].

電工技術學報，2000,(12):28－34.

[3]J.RemesPinheriro.Three?levelZVSPWMConverter—ANew

ConceptinHigh?voltageDCtoDCConversion[C].IEEEIECON,1992,173－178.

[4]J.RemesPinheriro,BarbiI.WideloadrangeThree?level

ZVS?PWMDCtoDCConverter[C].IEEEPESC.1993.

171－177.

[5]FranciscoCanales.AZeroVoltageandZeroCurrent

SwitchingThree?levelDCtoDCConverter[C].IEEEProceedingofApec'00CDROM

[6]F.Canales.AZeroVoltageandZeroCurrentSwitchingThree

LevelDCtoDCConverter[C].Proc.ofVPEC,1999.126－133.

[7]阮新波，嚴仰光.一種新穎的零電壓零電流開關PWM

三電平直流變換器[J]，電工技術學報，2001,(4)41－46.