加箝位二極管的零電壓開關(guān)PWM復(fù)合式全橋三電平變換器

1、第25卷第20期中國電機工程學(xué)報V ol.25 No.20 Oct. 20052005年10月Proceedings of the CSEE ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章編號:0258-8013(200520-00021-05 中圖分類號:TM311 文獻標(biāo)識碼:A 學(xué)科分類號:47040加箝位二極管的零電壓開關(guān)PWM復(fù)合式全橋三電平變換器陳 武,阮新波(南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室,江蘇省南京市 210016ZVS PWM HYBRID FULL-BRIDGE THREE-LEVEL CONVERTERWITH CLAMPING DIODES

2、CHEN Wu,RUAN Xin-bo(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT:Zero-voltage-switching PWM hybrid full-bridge three-level converter (ZVS PWM H-FB TL converter realizes ZVS for the switches with the use of the leakage inductance and the output c

3、apacitors of the switches, however the rectifier diodes still suffer from the reverse recovery which results in oscillation and voltage spike. In order to solve this problem, this paper proposes a novel ZVS PWM H-FB TL converter, which introduces two clamping diodes to the basic TL converter to elim

4、inate the oscillation and clamp the rectified voltage to the reflected input voltage. The operation principle of the novel converter is analyzed and verified by a prototype converter. The experimental results are also included in this paper.KEY WORDS: Power electronics;Clamping diode; Hybrid full-br

5、idge three-level converter; Zero-voltage-switching摘要:零電壓開關(guān) PWM 復(fù)合式全橋三電平變換器(ZVS PWM H-FB TL 變換器利用變壓器的漏感和開關(guān)管的結(jié)電容可以實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS,但是輸出整流管仍然存在反向恢復(fù)帶來的尖峰電壓。為了解決這個問題,該文提出一種新的ZVS PWM H-FB TL 變換器,它在基本的ZVS PWM H-FB TL 變換器中增加兩個二極管,能夠有效地消除在3L模式和2L模式下輸出整流管的尖峰電壓,同時保留基本ZVS PWM H-FB TL 變換器的所有優(yōu)點。該文分析這種新的變換器的工作原理,并在一個1200

6、W的原理樣機上進行驗證,最后給出實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞:電力電子;箝位二極管;復(fù)合式全橋三電平變換器;零電壓開關(guān)基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50177013;江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2003419。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50177013.1 引言近年來,三電平(Three-Level,TL變換器在高壓場合的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注,因為它的開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半1。文獻2分析了TL 變換器的推導(dǎo)思路,并提出了所有直流變換器的三電平拓撲。為了提高效率和減小變換器的重量與體積,近

7、年來出現(xiàn)了很多軟開關(guān)TL變換器電路拓撲。零電壓開關(guān)(Zero-V oltage-Switching,ZVSTL變換器利用變壓器的漏感和開關(guān)管的結(jié)電容來實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS3-8。零電壓零電流開關(guān)(Zero-V oltage and Zero-Current-Switching, ZVZCSTL變換器中兩只開關(guān)管實現(xiàn)ZVS,另外兩只開關(guān)管則實現(xiàn)ZCS9-10。文獻11系統(tǒng)地研究了TL變換器的軟開關(guān)技術(shù)。這些變換器均只實現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān),而輸出整流管依然存在反向恢復(fù)問題,要承受由反向恢復(fù)引起電壓尖峰,很容易損壞。ZVS PWM復(fù)合式全橋(Hybrid Full- Bridge, H-FBTL變換器

8、12-13有以下優(yōu)點:三電平橋臂開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半;可在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS;輸出整流波形中高頻分量小,可以減小輸出濾波電感。但同樣存在輸出整流管反向恢復(fù)引起整流管上產(chǎn)生電壓尖峰問題。文獻14中提到的TL變換器箝位方法,只能消除在三電平工作模式的輸出整流管尖峰電壓,而不能消除兩電平工作模式的輸出整流管尖峰電壓。本文提出一種新的ZVS PWM H-FB TL 變換器,它在基本的ZVS PWM H-FB TL變換器中增加兩個二極管,電路結(jié)構(gòu)非常簡單,就可以消除在不同電平工22 中國電機工程學(xué)報第25卷作模式下輸出整流管的尖峰電壓,同時保留基本ZVS PWM H-FB TL變換器的所

9、有優(yōu)點。2 工作原理2.1 變換器主電路本文提出的加箝位二極管的ZVS PWM H-FB TL變換器如圖1(a 所示。其中C d1 和C d2 容量很大且相等,其電壓均為輸入電壓V in 的一半,即V C d1=V C d2=V in/2,可看作電壓為V in/2的電壓源。四只開關(guān)管Q1-Q4 及其體二極管D1-D4 和寄生電容C1-C4、續(xù)流二極管D7 和D8 、飛跨電容C ss組成三電平橋臂;Q5 和Q6 及其體二極管D5 和D6、寄生電容C5和C6 組成兩電平橋臂。L r為諧振電感,D9和D10為箝位二極管,D R1 和D R2 是輸出整流管, L f是輸出濾波電感,C f 是輸出濾波電

10、容,R Ld是負載。Q2和Q3為180°互補導(dǎo)通,Q5和Q6為180°互補導(dǎo)通,且分別相對于Q3和Q2滯后一個相位,故定義Q2和Q3為超前管,Q5和Q6為滯后管。Q1和Q4分別同相位于Q2和Q3 PWM工作,故定義Q1和Q4為斬波管。當(dāng)輸入電壓較低時,Q1和Q4 PWM工作,Q2、Q3與Q6、Q5之間有一個較小的固定相位差,將Q2、Q3實現(xiàn)ZVS和Q5、Q6實現(xiàn)ZVS分離開來。此時輸出整流后的電壓為三電平波形,稱之為三電平模式(3L模式。當(dāng)輸入電壓較高時,Q1和Q4的脈寬將減小到零,Q2、Q3與Q6、Q5移相工作,此時輸出整流后的電壓為兩電平波形,稱之為兩電平模式(2L模式

11、。本節(jié)詳細分析該變換器在3L模式和2L模式下的工作原理。在分析之前,作如下假設(shè):所有開關(guān)管和二極管均為理想器件(整流二極管除外,它等效為一個理想二極管和一個電容并聯(lián);所有電感、電容和變壓器均為理想元件;飛跨電容C ss 足夠大,穩(wěn)態(tài)時其電壓基本不變,為V in/2;L f>>L r/K2,K為變壓器原副邊匝比;C1=C2=C3= C4=C3L,C5=C6=C2L 。2.2 3L模式圖1(b 給出了該變換器在3L模式下的主要波形。一個開關(guān)周期包括20個開關(guān)模態(tài)。由于開關(guān)模態(tài)比較多,工作原理與文獻12相似,具體工作情況及原理可參考文獻12。下面僅對增加的箝位二極管對副邊整流二極管有箝位

12、作用的開關(guān)模態(tài)作分析。在t7時刻,Q3,Q4 和Q5導(dǎo)通,L r與C D R1諧振工作,給D R1的結(jié)電容C D R1充電,i p和i Lr繼續(xù)增加。 (a 主電路 tt (b 3L模式下的主要波形 ttt t(c 2L模式下的主要波形圖1加箝位二極管的ZVS PWM H-FB TL變換器Fig. 1 ZVS PWM hybrid full-bridge three-level converterwith clamping diodes7in7(sin(Lfp LrrI t Vi t i t t tK Z=(1in172(1cos(CDRVv t t tK=(2式中rZ=;DC為C D R1

13、折第20期 陳 武等: 加箝位二極管的零電壓開關(guān) PWM 復(fù)合式全橋三電平變換器 23算到原邊的等效電容;I Lf (t 7為t 7時刻濾波電感電流。 到t 8時刻,C D R 1的電壓上升到2V in /K ,即副邊電壓v rect 上升到V in /K ,反映到變壓器原邊C 點電位達到V in ,則箝位二極管D 9導(dǎo)通,將v AC 箝在V in ,因此v CDR1被箝位在2V in /K ,輸出整流管上由反向恢復(fù)引起的電壓尖峰被消除。圖2(a為此模態(tài)的等效電路。 在t 18時刻,Q 1, Q 2 和Q 6導(dǎo)通,其工作情況與在t 8時刻類似,輸出整流管上由反向恢復(fù)引起的電壓尖峰也被消除。圖2

14、(b為該模態(tài)的等效電路。 (a t,t (b t 18,t 19圖2 3L 模式下電壓箝位開關(guān)模態(tài)等效電路 Fig. 2 Equivalent circuits of the voltage-clampingstages in 3L mode2.3 2L 模式圖1(c 給出了該變換器在2L 模式下的主要波形。一個開關(guān)周期包括20個開關(guān)模態(tài)。下面也僅對增加的箝位二極管對副邊整流二極管有箝位作用的開關(guān)模態(tài)作分析。在t 8時刻,Q 3,Q 5和D 8導(dǎo)通,由C d 1向副邊提供能量,v rect 上升到V in /2K ,反映到變壓器原邊C 點電位等于V in ,則D 9導(dǎo)通,將v AC 箝在V i

15、n /2,因此v CDR1被箝位在V in /K ,輸出整流管上由反向恢復(fù)引起的電壓尖峰被消除。圖3(a為此模態(tài)的等效電路。在t 18時刻,D 7, Q 2 和Q 6導(dǎo)通,其工作情況與在t 8時刻類似,輸出整流管上由反向恢復(fù)引起的電壓尖峰也被消除。圖3(b為該模態(tài)的等效電路。從上面的分析可知,加箝位二極管的ZVSPWM H-FB TL 變換器,無論是在3L 模式還是在2L 模式,都可以很好的消除輸出整流管上電壓振蕩和電壓尖峰。(a t 8,t9(b t 18,t 19圖3 2L 模式下電壓箝位開關(guān)模態(tài)等效電路 Fig. 3 Equivalent circuits of the voltage-

16、clampingstages in 2L mode3 開關(guān)管實現(xiàn)ZVS 與副邊占空比丟失3.1 斬波管和超前管ZVS 的實現(xiàn)斬波管要實現(xiàn)ZVS ,必須有足夠的能量來抽走開關(guān)管Q 4的結(jié)電容C 4及截止整流管D R 2的結(jié)電容C D R 2上的電荷,并給剛關(guān)斷的開關(guān)管Q 1的結(jié)電容C 1充電,即222in in chop 14in 111(22222D V VE C C C V >+ 2223in in in 3(248L D C V V C V =+ (3 式中 DC 為整流管結(jié)電容折算到原邊的等效電容。 同樣,超前管要實現(xiàn)ZVS ,必須有足夠的能量來抽走即將開通的開關(guān)管Q 3的結(jié)電容C

17、 3及截止整流管D R 2的結(jié)電容C D R 2上的電荷,并給剛關(guān)斷的開關(guān)管Q 2的結(jié)電容C 2充電,即222in in in lead 23111(222222DV V V E C C C >+= 223in in 148L DC V C V + (4 E chop 和E lead 由濾波電感提供,濾波電感很大,所以斬波管和超前管可以在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS ?；镜腪VS PWM H-FB TL 變換器是利用濾波電感和諧振電感兩者的能量,但諧振電感的能量與濾波電感的能量相比很小,可以忽略,所以兩種24 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報第25卷變換器實現(xiàn)斬波管和超前管ZVS 的負載范

18、圍基本相同。3.2 滯后管ZVS 的實現(xiàn)滯后管要實現(xiàn)ZVS ,必須有足夠的能量來抽走即將要開通的開關(guān)管Q 5的結(jié)電容C 5,并給剛關(guān)斷的開關(guān)管Q 6的結(jié)電容C 6充電,即222lag5in 6in 2in 1122L E C V C V C V >+= (5 E lag 由諧振電感提供,這與基本的ZVS PWMH-FB TL 變換器是一樣的。由于諧振電感比折算到原邊的濾波電感小得多,所以相對于斬波管和超前管而言,滯后管實現(xiàn)ZVS 較困難。一般采取增大諧振電感的方法來擴大滯后管實現(xiàn)ZVS 的范圍。 3.3 副邊占空比丟失由于諧振電感的存在,變壓器副邊存在占空比丟失現(xiàn)象。由參考文獻15,可得

19、5757loss in in 2(42r Lr Lr r os s s t L I t I t L I D T V T K V T =(6 D loss 為副邊丟失的占空比,I Lr (t 5與I Lr (t 7分別為t 5與t 7時刻諧振電感電流。4 實驗結(jié)果與討論為了驗證本文提出的加箝位二極管的ZVS PWM H-FB TL 變換器的工作原理,在實驗室完成了一臺1.2kW 的原理樣機,實驗所用數(shù)據(jù):輸入直流電壓V in =200400V ;輸出直流電壓V o = 60V ;輸出電流I o =20A ;變壓器原副邊變比14:5;變壓器原邊漏感L l k =0.8µH ;諧振電感L

20、r = 4.2µH ;輸出濾波電感L f =18µH ;輸出濾波電容C f =2×2200µF ;開關(guān)管(Q 1Q 4:IXTH30N25;開關(guān)管(Q 5Q 6:IXKR40N60C ;續(xù)流二極管(D 7、D 8:DSEP30-03A ;箝位二極管(D 9,D 10:DSEI30- 06A ;輸出整流二極管(D R 1,D R 2:DSEP60- 04A ;開關(guān)頻率f s =100kHz 。圖4(a和圖4(b給出了變換器在3L 模式下變壓器原邊電壓v AB 、原邊電流i p 和整流二極管D R 2上電壓v D R 2波形。圖4(c和圖4(d給出了在2L

21、模式下的實驗波形。從中可以看出,無論是3L 模式還是2L 模式,加了箝位二極管后,都可以很好的消除整流管的電壓尖峰。圖5分別給出了在3L 模式下斬波管Q 1、超前管Q 2和滯后管Q 5的驅(qū)動信號v GS ,漏、 源極電壓v DS 和漏極電流i D 波形。圖6分別給出了在2L 模式下超前管Q 2和滯后管Q 5的驅(qū)動信號v GS ,漏、源極2µs/格 t /µs 2µs/格 t /µs2µs/格 t /µs 2µs/格 t /µs(a v AB 、i p 和v D R 2波形(加箝位二極管 (b v AB 、i p 和

22、v D R 2波形(不加箝位二極管(c v AB 、i p 和v D R 2波形(加箝位二極管 (d v AB 、i p 和v D R 2波形(不加箝位二極管100V /格 10A /格 250V /格100V /格 10A /格 250V /格v AB i p v DR 2v AB i p v DR 2100V /格 10A /格 250V /格100V /格 10A /格 250V /格v AB i p v DR 2v AB i p v DR 2圖4 3L 模式與2L 模式的實驗波形Fig. 4 Experimental waveforms of 3L mode and 2L modev:

23、25V/div (a Q 1的v GS 、v DS 和i D 波形 (b Q 2的v GS 、v DS 和i D 波形2µs/格 t /µs 2µs/格 t /µs2µs/格 t /µs(c Q 5的v GS 、v DS 和i D 波形5A /格 100V /格 25V /格5A /格 100V /格 25V /格v GS (Q1v DS (Q1i D (Q1v GS (Q2 v DS (Q2 i D (Q2v GS (Q5 v DS (Q5 i D (Q55A /格 250V /格 25V /格圖5 V in =250V , I o

24、 =20A 實驗波形Fig. 5 Experimental waveforms when V in =250V , I o =20A(a Q 2的v GS 、v DS 和i D 波形 (b Q 5的v GS 、v DS 和i D 波形2µs/格 t /µs 2µs/格 t /µs5A /格 100V /格 25V /格v GS (Q2v DS (Q2i D (Q25A /格 250V /格 25V /格v GS (Q5 v DS (Q5 i D (Q5圖6 V in =400V , I o =20A 實驗波形Fig. 6 Experimental wav

25、eforms when V in =400V , I o =20A電壓v DS 和漏極電流i D 波形。從中可以看出,它們均實現(xiàn)了ZVS 。圖7給出了加箝位二極管前后兩種變換器的變換效率。圖7(a分別給出了在V in =250V 和V in =400V 時,不同負載電流下的變換效率。圖7(b是在輸出滿載,在不同輸入電壓下的變換效率。從中可以看出,加箝位二極管后的變換效率明顯高于不加箝位二極管的效率,這是因為輸出整流管上沒有電壓振蕩,不必采用RC 有損吸收電路。實際上,加入箝位二極管后,整流管上的電壓應(yīng)力幾乎只有不加箝第20期 陳 武等: 加箝位二極管的零電壓開關(guān) PWM 復(fù)合式全橋三電平變換器

26、 25位二極管時的一半,這樣整流管可以采用電壓定額更低的二極管,從而可進一步提高變換效率。 o (a 效率與輸出電流的關(guān)系 (b 效率與輸入電壓的關(guān)系in 圖7 變換效率 Fig. 7 Conversion efficiency5 結(jié)論本文提出了一種加箝位二極管的ZVS PWMH-FB TL 變換器,它保留基本ZVS PWM H-FB TL 變換器的所有優(yōu)點,只在基本的ZVS PWM H-FB TL 變換器中加入兩個二極管,就可以消除在3L 模式和2L 模式下的輸出整流管尖峰電壓,這樣不必加有損吸收電路,降低了整流管的電壓應(yīng)力,因而可選擇低壓的整流管,提高變換效率。參考文獻1 Pinheiro

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