三相電壓型逆變器

1、一個(gè)新的全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作周期和ZVS范圍擴(kuò)大摘要：本文提出了完整的理論分析, 有LCC輔助電路的全橋零電壓移相開(kāi)關(guān)（fb-zvs-ps）DC-DC轉(zhuǎn)換器的模擬和的優(yōu)化設(shè)計(jì),在250kHz的頻率下工作，輸出功率1kW。該變換器采用電容分壓器在輔助電感一端創(chuàng)建一半的輸入電壓。因此在電感兩端的電壓會(huì)在VI / 2 到+ VI / 2之間擺動(dòng)，并在被動(dòng)-主動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)額外的增強(qiáng)的初級(jí)電流，并增加適合產(chǎn)生ZVS的能量。用這種方法是可能在不使用換向電感的條件下在一系列電力變壓器中設(shè)計(jì)出fb-ps-zvs直流/直流變換器從而避免減少有效占空比的相關(guān)問(wèn)題。更進(jìn)一步，通過(guò)適當(dāng)?shù)?/p>

2、LCC的電路設(shè)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)在整體沒(méi)有明顯損害的前提下ZVS范圍和有效工作周期可以優(yōu)化。1.介紹：由于其優(yōu)越的特性，采用全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相器已成為首選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換，用于幾百瓦的功率與高輸入電壓的應(yīng)用。fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是由于零電壓開(kāi)關(guān)和恒定頻率操作效率高，允許一個(gè)簡(jiǎn)單的控制，類似于硬開(kāi)關(guān)PWM全橋變換器。傳統(tǒng)的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是對(duì)負(fù)載的依賴，當(dāng)負(fù)載過(guò)輕時(shí)ZVS的條件便會(huì)不滿足。因此，在一系列的電力變壓器中，幾乎每一個(gè)應(yīng)用程序?yàn)榱耸筞VS的負(fù)載范圍加寬都需要一個(gè)大的換向電感。這個(gè)大的電感，當(dāng)負(fù)載很大時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生高的不可接受的導(dǎo)通損耗，并且會(huì)防止初級(jí)電

3、流極慢的變化，這將會(huì)對(duì)有效占空比的降低負(fù)責(zé)。所以，必須要有一個(gè)折衷的設(shè)計(jì)，考慮到輸入電壓規(guī)格、負(fù)載范圍、工作周期和效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些新的技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被提出和開(kāi)發(fā)。引用5定義的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器和采用飽和電抗器與初級(jí)繞組和次級(jí)整流二極管系列具有局限性。這個(gè)過(guò)程可以使運(yùn)行下的零電壓開(kāi)關(guān)范圍更大，沒(méi)有顯著的導(dǎo)通損耗增加，但始終存在消除多余能量時(shí)發(fā)生飽和的問(wèn)題。參考 6 描述了一種方法，用一個(gè)主換向電感器與終端連接在一個(gè)轉(zhuǎn)換被動(dòng)與主動(dòng)的腿的中點(diǎn)，其他通過(guò)兩個(gè)鉗位二極管連接到輸入電壓源。通過(guò)這種方法，ZVS將會(huì)因?yàn)闃蚬塬@得一個(gè)較寬的負(fù)載范圍。然而，為P-A腿提供正的連續(xù)電流鉗位二極管，會(huì)

4、遭受硬開(kāi)關(guān)，因此將會(huì)帶來(lái)?yè)Q向損失和召回緩沖。一種減少上述問(wèn)題的方法是采用一二繞組電感箝位到輸出，如79所描述：初級(jí)繞組的電感與變壓器初級(jí)和次級(jí)系列是通過(guò)兩個(gè)整流二極管連接到輸出電容器。該方法可以使回收的多余能源直接流向負(fù)載。當(dāng)一個(gè)被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程發(fā)生時(shí)，其中的一個(gè)二極管導(dǎo)通和鉗制電感，其次是輸出電壓。這種行為相當(dāng)于一個(gè)具有可變自感系數(shù)的電感。然而，這種解決方案意味著更大、更重、更復(fù)雜和更高成本的轉(zhuǎn)換器。本文提出的新的解決方案，包括一個(gè)更簡(jiǎn)單的解決方法可以使fb-zvsps轉(zhuǎn)換器問(wèn)題減小，就是通過(guò)加一個(gè)連接到電源電路P-A腿的LCC輔助電路。這種輔助電路由一個(gè)電容分壓器和一個(gè)連接在電容分壓

5、器中點(diǎn)和P-A腿中點(diǎn)的電感器組成。這樣，初級(jí)電流將會(huì)在被動(dòng)與主動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)換期間增強(qiáng)，從而增加了實(shí)現(xiàn)ZVS的可用能量。這個(gè)過(guò)程使的fb-zvsps轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)不使用在變壓器系列中的輔助電感器，減少占空比損失問(wèn)題。本文的目的是提出建議轉(zhuǎn)換器的理論研究（圖1），使LCC電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以獲得最佳效率。本研究可以找到一種效率最高的轉(zhuǎn)化器，可以獲得希望范圍的負(fù)載而不使ZVS松動(dòng)。工作周期的增加也可以用這種方法得到，這也是一個(gè)特點(diǎn)。2.提出的轉(zhuǎn)換器： A.工作原理：所提出的轉(zhuǎn)換器如圖1. 該轉(zhuǎn)換器是一個(gè)傳統(tǒng)的fb-zvs-ps DC-DC變換器，為了提高ZVS的范圍而包括一個(gè)LCC電路，沒(méi)有工作周期的固有損

6、耗。轉(zhuǎn)換器的被動(dòng)-主動(dòng)轉(zhuǎn)換腿由由晶體管S2和S4組成，主動(dòng)-被動(dòng)轉(zhuǎn)換腿由晶體管S1和S3組成. 電容C1，C2，C3，C4和二極管D1，D2，D3，D4是各自的輸出電容和晶體管的管橋。TR表示N匝數(shù)比的變壓器，LF是濾波電感，輸出電容用CF表示。二極管Da和Db是變頻器的整流二極管。 圖1 fb-ps-zvs直流/直流LCC電路的功率變換器輔助LCC電路由電容分壓器（CPal，CPa2）和連接在電容分壓器中間點(diǎn)和P-A腿中間點(diǎn)的電感（LS）組成，如圖1所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，輔助電感Ls在其終端表現(xiàn)出一個(gè)VI / 2正電壓。另外，當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，LS表現(xiàn)出一個(gè)等于VI / 2負(fù)電壓。將顯示出，這

7、一事實(shí)迫使電流為了平衡在輔助電感兩端的電壓，當(dāng)P-A相變時(shí)其達(dá)到最大值。這在被動(dòng)-主動(dòng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中加強(qiáng)了初級(jí)電流，從而增加了可用的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS。 B.轉(zhuǎn)換器分析： 在圖1的變換器有十種工作模式，在一段時(shí)期有初級(jí)電流IP。由于循環(huán)對(duì)稱只有當(dāng)前正橋?qū)⒃谙旅娴姆治鲋锌紤]。因此，研究?jī)H限于五種不同的操作模式：模式I或叫主動(dòng)模式，模式II或叫主動(dòng)-被動(dòng)振動(dòng)轉(zhuǎn)變模式，模式III或叫被動(dòng)模式，模式IV或叫被動(dòng)-主動(dòng)振動(dòng)轉(zhuǎn)變模式，模式V或叫初級(jí)電流線性過(guò)渡模式。為了闡明的分析，考慮圖2中變量隨時(shí)間變化的波形。圖2 fb-ps-zvs直流/直流轉(zhuǎn)換器電路：LCC電氣量波形模式I（主動(dòng)）- T0tT1：考慮一下

8、當(dāng)時(shí)間t = t0時(shí)二極管DB切斷，晶體管S1和S2導(dǎo)通，DA二極管正在整流。輸入電壓VI被施加到變壓器的初級(jí)線圈，初級(jí)電流將與電路中的總電感成比例的增加。這種模式的等效電路如圖3所示，LTRf 和LF分別是變壓器的泄露電感和濾波電感。在這一模式中的輔助電感的B終端連接到地面，因此LS的電壓是VI / 2。圖3等效電路在模式I在LS中的電流線性增加直到晶體管S2停止導(dǎo)電。輔助電路作為一個(gè)獨(dú)立的電路不影響初級(jí)電流?？紤]到轉(zhuǎn)換器的等效電路，初級(jí)電流和LS的電流是由下式給出： 其中I0和ILs0是電流IP和ILs在t=0時(shí)刻的初始值，Leq1=LTRf+n2LF模式II（主動(dòng)-被動(dòng)的振動(dòng)變換）- T

9、1TT2這種模式電容C1、C3充電/放電的相應(yīng)時(shí)間持續(xù)很短。當(dāng)晶體管S1在時(shí)間t1關(guān)閉時(shí)，這種主動(dòng)-被動(dòng)振動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始。晶體管S2仍然導(dǎo)通，初級(jí)電流流經(jīng)S2，C = C1 | | C3。二極管DA也開(kāi)始導(dǎo)通。在分析中使用的轉(zhuǎn)換器的等效電路如圖4。 圖4 模式II等效電路在這一模式中，電容C兩端的電壓將會(huì)在VI和0之間振蕩，初級(jí)電流由下式給出： Ir和r下式給出： 在t1時(shí)刻，I1是初級(jí)電流的初始條件。一旦管S2仍存在，在LS中的電流將會(huì)如例2中給出那樣。這種模式將會(huì)在電容器電壓達(dá)到零時(shí)結(jié)束，ZVS中的二極管D3在T = T2時(shí)刻開(kāi)始導(dǎo)通。模式III型（被動(dòng)）T2tT3充電后的電容器C = C

10、1 | | C3，二極管D3開(kāi)啟導(dǎo)通，開(kāi)始階段輸出電流的反映是隨機(jī)的。Vab的電壓為0。整流二極管DA保持導(dǎo)通狀態(tài)。該電路進(jìn)入被動(dòng)模式持續(xù)到S2的門(mén)脈沖在時(shí)間t = T3移除。考慮到這種模式的等效電路呈現(xiàn)在圖5，初級(jí)電流是由下式給出的：I2是初級(jí)電流的初始值。 圖5 模式III的等效電路電力變壓器的次級(jí)電壓在模式III中用下式給出：因?yàn)镾2一直閉合，在LS中的電流繼續(xù)增加，仍然是由（2）式給出。模式四（被動(dòng)-主動(dòng)振動(dòng)轉(zhuǎn)變過(guò)程）T3 TT4在時(shí)間T3時(shí)，晶體管S2的柵極信號(hào)去除，模式四開(kāi)始。二極管D3保持導(dǎo)通，初級(jí)電流流經(jīng)C2 | | C4。在這種模式下，和模式II所發(fā)生的恰好相反，兩個(gè)整流二極

11、管Da和Db都是導(dǎo)通的。因此，在電路中不存在輸出濾波電感，并且對(duì)電容C2、C4充電/放電沒(méi)有貢獻(xiàn)。因?yàn)檫@個(gè)原因，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器中ZVS的條件對(duì)于輕負(fù)載來(lái)說(shuō)是非常難獲得的。然而，在這種情況下，對(duì)LCC的輔助電路的使用將提供額外的能量（在模式I、II和III時(shí)，存儲(chǔ)在LS中），將被用來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS。 圖6 模式IV的等效電路考慮圖6中提出的等效電路，可以看出，當(dāng)晶體管S2切斷，在LS中的電流（在這里代表一個(gè)電流源）將被添加到初級(jí)電流，為了電容C2、C4的充電/放電。在這一模式電容C兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生從零到六的振蕩，初級(jí)電流由下式給出：其中，i3和ils3在輔助電感中分別為初級(jí)電流和電流的初始值。由于模

12、式IV持續(xù)時(shí)間短，在LS的電流將約為常數(shù)，其值等于當(dāng)S2的門(mén)脈沖移除時(shí)的ILS3的值。時(shí)間t4時(shí)刻，電容器電壓達(dá)到VI，這種模式將結(jié)束。模式V（線性過(guò)渡）T4 T T5二極管D4在時(shí)間T4導(dǎo)通。模式V的基本特征是初級(jí)電流的極性反向。當(dāng)初級(jí)電流達(dá)到零，晶體管S2和S4開(kāi)始導(dǎo)通，直到整流二極管DA切斷?？紤]圖7所示的等效電路，初級(jí)電流是由下式給出的：圖7 模式V的等效電路電感LS的B終端（圖7）現(xiàn)在連接到Vi，在輔助電感的電壓為VI / 2。LS的電流就會(huì)減少并且由下式給出：對(duì)應(yīng)于模式V的持續(xù)時(shí)間的間隔（t5-t4）代表一個(gè)損失的工作周期。因此，在極性改變時(shí)，理想的初級(jí)電流的斜率將盡可能高，以減少

13、此時(shí)間間隔。和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器所發(fā)生的相反，在建議的轉(zhuǎn)換器中的電流僅僅是由電源變壓器的泄漏電感限制的。因此，對(duì)工作周期的損失僅依賴于變壓器的結(jié)構(gòu)性缺陷。雖然，重要的是要注意到，為了支持電流有輕微的增加，P-A腿的晶體管大小要合適。在這些晶體管中的電流是初級(jí)電流與LS中電流的和。然而，進(jìn)一步看到，LS優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致晶體管電流少量增加。3能量平衡：本研究的目標(biāo)之一是獲得ZVS特性在LCC的電路參數(shù)的作用，為了建立正確的電感，導(dǎo)致較高的效率。通過(guò)必要的電容器充電的能量評(píng)價(jià)得到的ZVS條件, WC和儲(chǔ)存在輔助電感WL中的能量：I0是平均輸出電流，T是運(yùn)行周期。ZVS條件考慮到WL > WC時(shí)的計(jì)算。

14、同時(shí)考慮到（11）和（12）和使用的ZVS條件：圖8給出了LS值不同時(shí)，換向能量WL與負(fù)載電流的變化。它也提出了獲得ZVS的必要能量（Wc= 125J）。由此可以看出， WL曲線與WC的交叉點(diǎn)表示了ZVS的邊界條件（13）。檢查圖8也表明，對(duì)于LS140H，所有負(fù)載范圍都可以獲得零電壓切換。輸出電流A圖8 在整流能量WL與負(fù)載電流與LS作為一個(gè)參數(shù)的變化4.仿真結(jié)果為了驗(yàn)證理論分析，所提出的變換器利用Pspice ICAPs 4進(jìn)行了模擬。下面的電路參數(shù)已被用于模擬：VI = 380V，F(xiàn) = 250KHz，VO = 50V，LS = 140H。圖9顯示初級(jí)電流、電壓和二次電壓。圖9：該變換器

15、的仿真結(jié)果：（1）變壓器二次電壓（伏/格）；（2）變壓器初級(jí)電壓（伏/格）；（3）一次電流（2A / DIV）圖10：顯示初級(jí)電流圖，在開(kāi)關(guān)S2的電流，LS的電流。它可以看出晶體管電流峰值僅僅是由于輔助電路而少量增加（小于10%）。圖10：該變換器的仿真結(jié)果：（1）一次電流（2A / DIV）；（2）在開(kāi)關(guān)S2 B電流（2A / DIV）；（3）目前在LS（2A / DIV）。為了強(qiáng)調(diào)此轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，圖11顯示用這種解決方法獲得的模擬初級(jí)電流和電感LS的電流，模擬的初級(jí)電流在一個(gè)傳統(tǒng)的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器得到的（兩線）。為了實(shí)現(xiàn)ZVS與傳統(tǒng)的fb-zvs-ps具有相同的負(fù)載，由于串聯(lián)整流電

16、感，初級(jí)電流的斜率較小，因此，工作周期損失增加。一個(gè)換向電感器在13H在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器140H輔助電感變壓器系列圖11中給出的結(jié)果。對(duì)于這些參數(shù)，常規(guī)轉(zhuǎn)換器損失工作周期大約是兩倍，40%的額定負(fù)載電流，即ZVS獲得時(shí)的最小負(fù)載電流。在所提出的轉(zhuǎn)換器中，所有負(fù)載范圍內(nèi)都可以獲得ZVS。圖11：該變換器：（1）模擬的初級(jí)電流（5A / DIV）；（2）LS中的電流（1A / DIV）；（3）變壓器二次電壓（220Vdiv）。5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證電路的可行性，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)得到的。VI = 100V，F(xiàn) = 250KHz，VO = 24V和LS = 1mH。圖12：建議轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)

17、結(jié)果：（4）初級(jí)電流IP（2A / DIV）；（3）初級(jí)電壓Vab（50V / DIV）；（1）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。圖13：建議轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）在輔助電感電流，離子液體（0,1a / DIV）；（2）電壓在LS，VLS（50V / DIV）。圖14：建議轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（3）變壓器初級(jí)電壓，VAB（50V / DIV）；（4）變壓器二次電壓VS，（50V / DIV）；（1），（2）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。圖15顯示了變壓器的初級(jí)和次級(jí)電壓的細(xì)節(jié)。這兩個(gè)電壓進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證對(duì)工作周期的損失是可以忽略的（ 100ns）圖15：建議轉(zhuǎn)換器的實(shí)

18、驗(yàn)結(jié)果：（3）變壓器初級(jí)電壓，VAB（50V / DIV）；（4）變壓器二次電壓VS，（50V / DIV）；（1），（2）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。6結(jié)論：理論分析，LCC的輔助電路下的全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相(FBZVS- PS) DC-DC變換器的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于運(yùn)用了輔助電路，轉(zhuǎn)換器的性能和有效工作周期在所關(guān)注的ZVS范圍內(nèi)有所改進(jìn)。唯一被驗(yàn)證的缺點(diǎn)是在P-A腿的開(kāi)關(guān)中峰值電流有一點(diǎn)增加。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出的理論進(jìn)行了分析。7致謝：本文已被PRAXIS XXI /98/P/EEI/12026/1998的項(xiàng)目支持：高頻軟開(kāi)關(guān)變換器。8參考文獻(xiàn)： 1 r.雷德?tīng)?，N.索卡爾，L.格洛一種新的軟開(kāi)關(guān)全橋DC/DC 轉(zhuǎn)換器分析，設(shè)計(jì)考慮，并在1.5千瓦，100kkz的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出版PESC 90，162-172頁(yè)。 2 D.西博，F(xiàn).李全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器的運(yùn)行，出版VPEC 89，92-97頁(yè)。 3 J.賽博特等。高電壓，高功率，ZVS，全橋PWM變換器采用有源開(kāi)關(guān)，出版APEC91，92-97頁(yè)。 4 J.賽博特等。高電壓，高功率的設(shè)計(jì)考慮，全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器，出版APEC92，73-80頁(yè)。 5 G.華，F(xiàn).李，約萬(wàn)諾維奇，一種改進(jìn)的零電壓開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器采用飽和電抗器IEEE電力電子學(xué)，卷8，n