ZVS三电平DCDC变换器的研究

华中科技大学

硕士学位论文

ZVS三电平DC/DC变换器的研究

姓名：李小兵

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动指导教师：李晓帆

20060428

摘要

直流变换器是电力电子变换器的重要组成部分，软开关技术是电力电子装置向高频化、高功率密度化发展的关键技术，成为现代电力电子技术研究的热点之一。

由于对电源设备电磁兼容的要求的提高，一般在电源设备中都要加入功率因数校正环节，导致后继开关管电压应力的提高。三电平直流变换器相应提出，主开关管的电压应力为输入直流电压的一半。使得三电平直流变换器一提出就得到全世界电源专家和学者的重视，短短十几年内，相继提出许多种改进型三电平直流变换器，包括半桥式和全桥式。根据主开关管实现软开关的不同，将三电平直流变换器分为零电压软开关和零电压零电流软开关。

本文首先给出了基本半桥式三电平DC/DC变换器，详细分析了其工作原理，讨论了主要参数的设计和由于次级整流二极管的反向恢复导致主开关管的电压尖峰。接着给出一种带箝位二极管的改进型半桥式三电平DC/DC变换器。文中给出了Saber软件的仿真结果，进一步证明改进方案的正确性和可行性。针对前面讨论的两种半桥式三电平DC/DC变换器，设计了实验电路来验证理论分析的正确性，文中给出了实验结果。接着研究了一种新型ZVS三电平LLC谐振型DC/DC变换器，文中详细讨论了该变换器的工作原理，讨论了主要参数的设计过程，给出了仿真结果。最后，设计了一台实验装置来验证理论分析的正确性，给出了实验结果，说明了主开关管可以在全负载范围内实现零电压软开关，变换器的效率在输入电压高端较高，并且次级整流二极管实现了零电流开关，二极管电压应力为输出电压的2倍。

本文通过理论分析、仿真研究和实验验证，证实了半桥式三电平DC/DC变换器的优越性能，改进型的半桥式三电平DC/DC变换器比较好地消除了主开关管上的电压尖峰。ZVS三电平LLC谐振型DC/DC变换器良好的性能，使得在有掉电维持时间限制的场合得到广泛应用。

关键词：移相控制零电压软开关谐振三电平

Abstract

DC/DC converter is a main part of power electronic converter. Soft-Switching technique is a hotspot of power electronic research. It’s the key technique in high frequency and high density converter.

As high EMI desire for power converter, power factor correction (PFC) become an important part , result in high voltage stress on main switches. Three-Level DC/DC converter was brought forward, its main switches voltage stress is only half of the input DC voltage, Three-Level converter becoming the main DC topology in the mind of power export in the world. Many topologies was put forward in recent years, include half bridge and full bridge. Three-Level consist of zero voltage switching (ZVS) and zero voltage and zero current switching (ZVZCS).

In this paper, investigate basic half bridge Three-Level DC/DC converter, the operation and parameter design are disused ,second side commutate diode reverse furbish bring high pinnacle on the main switches. A zero voltage switching PWM Three-Level converter with two clamping diodes is given, and experimental results are also given, the operation and parameter design are disused. The famous software SABER is used to validating the rationality and correctness of the improved circuit.Two experimental installation are given, the main devices and parameters and all parts of the circuit main parts are designed. The experimental results are given. Presents a Three-Level soft switching LLC series resonant DC/DC converter. Zero voltage switching is achieved for each main switch without any auxiliary circuit. V oltage stress of each main switch if half of input voltage, zero current switching is achieved for rectifier diodes. Wide input and output range can be achieved under low frequency range because of two stage resonance. Only one magnetic component is required in this converter. Efficiency is high in high line input, so this converter is a preferable candidate for power products with the requirement of hold up time. Design consideration of four dead times is presented to assure that voltage stress for main switches is within half input voltage and zero voltage switching for each main switch is achieved. Finally, the principle of operation for each main switch is achieved of the presented LLC series converter is verified on an experimental prototype.

In conclusion, basic half bridge Three-Level DC/DC converter, zero voltage switching

PWM Three-Level converter with two clamping diodes and Three Level LLC series resonant DC/DC converter are proved by the theoretical analyses, simulation research and experimental validation.

Keywords: P hase shifted control Zero voltage switching Resonant Three-level

独创性声明

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1. 绪论

1.1 软开关技术

传统硬开关有以下缺点：（1）在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器效率越低，开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。（2）开关管工作在硬开关时还会产生高di/dt和du/dt，从而产生大的电磁干扰(EMI)。

为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术应运而生。

1.1.1 DC/AC 逆变器中的软开关技术

在DC/AC逆变器（尤其是多相逆变器）中，软开关技术的应用有很大困难。通常逆变器中存在着多个开关，若每个开关都采用类似于DC/DC变换器中的软开关工作方式，则构成软开关的谐振单元相互影响，使电路难以正常工作。1986年美国威斯康星大学的D. M. Divan提出了谐振直流环逆变器（Resonant DC Link Inverter，RDCLI）和谐振极逆变器(Resonant Pole Inverter，RPI)，较好地解决了这个问题，并且立刻引起了广泛地重视，随后提出了许多改进电路和拓扑结构。

直流谐振环节逆变器是在原先的PWM电压型逆变器与直流电源之间加入一个辅助谐振电路，令DC谐振环节产生谐振，且使逆变桥直流母线上的电压周期回零，为逆变器中的开关创造零压开关的条件。谐振直流环节的最大进步，在于用高频脉冲序列为逆变器供电，代替原来的恒压供电方式。

谐振极逆变器是把辅助谐振回路移到桥臂的上下开关管联接点，利用谐振为逆变器创造零压开关的条件。

1.1.2 DC/DC直流变换器的软开关技术

变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提

高，甚至会使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。

直流开关电源的软开关技术一般可分为一下几类：

（1）全谐振型变换器，一般称之谐振变换器（Resonant converter）。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类：串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。

（2）准谐振变换器（Quasi-resonant converters，QRCs）和多谐振变换器（Multi-resonant converters，MRCs）。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量的某一个阶段，不是参与全过程。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变换器通常需要采用调频控制的方法。

（3）零开关PWM变换器（Zero switching PWM converter）。它可分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。该类变换器是在QRCs的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。这与QRCs不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/10-1/5。

（4）零转换PWM变换器（Zero transition converters）。它可分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。

在直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有源器件，只是采用电感电容和二极管来构成无损缓冲网络。

尽管软开关技术的采用提高了变换器的工作频率，降低了开关损耗，减小了功率元件的电压、电流应力，但其中仍有许多问题有待解决，如进一步扩大功率使用范围，完善控制技术，提高工作可靠性等，但软开关技术的应用已经给功率变换器的发展带来了深刻的变革。而且随着软开关的技术的进一步完善和实用化，必将为实现更高品质的功率变换系统提供有力的技术保障。

1.2 三电平直流变换器的提出

1.2.1 三电平逆变器的提出

随着对电力电子技术的深入研究，人们对使用市电的功率变换装置的用电质量提出了越来越严格的要求。国际电工委员会制定了标准IEC61000-3-2，对谐波含量进行严格限制，使得电气装置必须采用功率因数校正技术（Power Factor Correction，PFC）。三相PFC 变换器的输出直流电压一般为700-800VDC，甚至高达1000VDC。如果在整流器中使用三相PFC 变换器，就会使得后级直流变换器中开关管的电压应力提高，不利于开关管的选取。1981年，日本的Akira Nabae 教授提出了中点箝位逆变器[9](Neutral Point Clamped Inverter，NPC 逆变器)，如图1.1所示，这种逆变器

图1.1 NPC 逆变器

将开关管从传统逆变器的6只开关管增加到12只，分为两组：6只主开关管（Q a1、Q b1、Q c1、Q a4、Q b4、Q a4、Q b4、Q c4）、6只辅助开关管（Q a2、Q b2、Q c2、Q a3、Q b3、Q c3）。主开关管用于脉宽调制，辅助开关管用于把输出端电压箝位在中点电压。与传统逆变器相

比，早输入电压相同的情况下，NPC 逆变器开关管的电压应力是原来的一半。由于传统逆变器输出电压只有＋U in /2和－U in /2两种电平，而NPC 逆变器输出电压有＋U in /2、0、－U in /2三种电平，所以后来人们就把这种逆变器称为三电平（Three Level，TL）

逆变器。

1.2.2 三电平直流变换器的提出和发展

随着通信，计算机行业的快速发展，对电源设备的要求越来越高。绿色电源的提出，使得对电力电子技术的环保性有了较高的要求。各种标准相继颁布，著名的如IEC1000－3－2、IEC555－2等，对电力电子设备的电磁兼容要求越来越严格。为了减小电力电子设备对电网的谐波污染，一般采用功率因数校正技术（Power Factor Correction，PFC）。大功率高频开关电源一般为三相交流380V输入，整流后的直流母线电压通常高达760－800VDC，甚至高达1000VDC。这样给后级直流变换器开关管的选取带来很大的困难。为了解决这个问题，1992年巴西教授Pinherio参考NPC逆变器，提出一种新型直流变换器[9]（如图1.1所示），其突出的特点是主开关管的电压应力是零电压开关PWM直流变换器中主开关管电压应力的一半，为输入电压的一半；同时还具有零电压开关PWM直流变换器所有的优点，可以在脉宽调制（PWM）下实现开关管的零电压开关。

图1.2 基本ZVS PWM三电平DC/DC变换器

基本ZVS PWM TL变换器的四只主开关管利用变压器漏感储能来实现软开关，但

是存在很多问题：1）Q

2和Q

在轻载时不能实现ZVS；2）为了在较宽负载范围内实现

软开关，需要加大等效漏感而串入附加谐振电感，导致变换器副边占空比丢失更加严重，降低了电压利用率；3）输出整流二极管存在反向恢复，存在电压尖峰；4）在每次开关过程中，四只主开关管的寄生电容都参与谐振，很难优化设计参数以及实现开

关管的软开关[10-19]。

文献[10]提出一种带有辅助电路的三电平直流变换器，如图1.3所示。该变换器可

以通过辅助电感L

s 和C

ss1

、C

ss2

来增强改变换器开关管的零电压开关的能力。

图1.3 带辅助电路的三电平DC/DC变换器

为了解决在每次开关管开关时四只主开关管的寄生电容都参与谐振的问题，美国电力电子系统中心（Center for Power Electronics Systems，CPES）的Canales 教授在基本电路中增加了飞跃电容，如图1.4所示的电容C

，将外面两只开关管的

图1.4 改进型ZVS PWM 三电平DC/DC变换器

开关过程与里面两只开关管的开关过程解耦，也就是说外面两只开关管开关时，里面两只开关管的寄生电容不参与谐振过程；而里面两只开关管开关时，外面两只开关管的寄生电容不参与谐振过程，这样就可以分别讨论设计里面两只开关管和外面两只开关管的工作情况，并且可以采用移相控制方法来实现主开关管的软开关。

由于主电路桥臂里面的两只开关管实现ZVS比较困难，Canales教授提出了一种零电压零电流开关（Zero Voltage and Zero Current Switching，ZVZCS）PWM三电平直流变换器，如图1.5所示，电路在变换器的副边增加了有源箝位电路，通过对次级有源箝位电路的适当控制，可以实现滞后管的零电流开关。但是由于控制电路在实现上比较麻烦，给应用带来很多困难。

图1.5 ZVZCS PWM三电平DC/DC变换器

在以上提及的文献中仅仅针对具体电路中所出现的某些问题提出相应的解决方案，并没有系统地对三电平直流变换器进行分析研究。文献[11]在总结上述文献的基础上，系统的提出了三电平直流变换器一共有9种控制方式，并将这9种控制方式根据每对开关管（上面两只开关管为一对，下面两只开关管为一对）的关断情况分为两类：一类是两只开关管同时关断，一类是两只开关管的关断时间相互错开，一只先关断，另外一只后关断，从而引入超前管和滞后管的概念，文中指出：超前管只能实现零电

压开关（Zero Voltage Switching，ZVS），滞后管在不同的零状态工作模式下可以实

现两电压开关或者零电流开关（Zero Current Switching，ZCS），因此将软开关PWM 三电平直流变换器分为ZVS和ZVZCS（Zero Voltage and Zero Current Switching，ZVZCS）两类，并且分别支持适合他们的控制策略。

在文献[12]的基础上，文献[13]提出了一种新型ZVZCS PWM三电平直流变换器，如图1.6所示。该变换器中使用阻断电容C

来实现在零状态时将原边电流减小到零；由于阻断电容的电压使变换器原边电流在零状态时反向流动，不利于滞后管实现零电流

（ZCS）关断，因此又加入了阻断二极管D

7、D

来实现将原边电流保持为零，不会反

向流动，为滞后管提供零电流开关的条件。

图1.6 新型ZVZCS PWM三电平DC/DC变换器

文献[16]介绍了一种新型的带有简单辅助电路的零电压零电流开关（ZVZCS）三电平DC/DC变换器，如图1.7所示。它的辅助电路不含耗能元件和有源开关，可以实现

图1.7 次级带耦合电感的ZVZCS三电平DC/DC变换器

超前管的零电压开通和滞后管的零电流关断。耦合电感取代了常规滤波电感，它所感应出的电压由功率变压器反射到初级，使得变换器在零状态时的循环电流减小到零。通过改变耦合线圈的匝数比，可以任意设置用于电流回零的电压幅值的大小，调节电流回零的时间。但是由于次级带有耦合电感，给电路的设计带来很大的麻烦[14-38]，不利于大量生产。

1.3 本文的研究内容

软开关技术是当前电力电子技术的热点之一，本文在分析基本半桥三电平DC/DC 变换器的基础上，研究了一种新型的带箝位二极管的倍流整流式半桥三电平DC/DC 变换器。本文的主要内容如下：

1．基本半桥零电压开关三电平DC/DC变换器

本文首先介绍了基本半桥零电压开关三电平DC/DC变换器的工作原理，然后分析其优缺点。最后给出一种新型的带箝位二极管的倍流整流式半桥三电平DC/DC直流变换器。

2．一种新型的带箝位二极管的倍流整流式半桥三电平DC/DC变换器

本文对给出的一种新型带箝位二极管的倍流整流式半桥三电平DC/DC变换器进行原理分析，定量给出输入与输出的关系，并且分析其实现软开关的条件，同时要论了变换器次级占空比丢失问题。

3．实验装置的设计

对前面分析的两种半桥式零电压开关三电平DC/DC变换器进行仿真分析，通过Saber软件下的建模仿真来验证理论分析的正确性，并为下面的实验验证提供一定的定性分析。

4．实验结果和全文总结

给出两种半桥式零电压开关三电平DC/DC变换器的实验波形和实验数据，并对实验数据进行分析，得出结论，以验证理论分析的正确性。

5. 研究了一种新型ZVS三电平LLC谐振型DC/DC变换器，并且给出了设计公式和主要参数设计原则，进行了实验验证，给出了实验结果。

在全文的最后，总结了全文的研究内容。

2 基本移相控制零电压开关半桥三电平DC/DC 变换器

2.1 电路工作原理

图2.1所示为基本移相控制零电压开关半桥三电平DC/DC 变换器的主电路和主要工作波形。电路中，两个分压电容C d1、C d2容量很大，它们的电压均为输入直流电压

(a) 主电路

(b) 主要波形

图2.1 基本三电平DC/DC 变换器的主电路及其主要波形

的一半，即U

Cd1＝U

Cd2

＝U

/2，V

－V

为四只主开关管，D

－D

为四只开关管的寄生二极

管，C

1－C

为四只主开关管上的并联电容。二极管D

、D

起箝位作用，用来保证V

、

2关断后其上所承受的电压应力为输入直流电压的一半。对于后关断的V

、V

就自然

承受另外一半输入电压。电感L

lk 为谐振电感，包括变压器的漏感。飞跃电容C

用来

将两对开关管开关过程连接起来，变换器稳态工作时，飞跃电容上的电压为输入电压

的一半。本设计中该变换器采用移相控制方案，开关管V

1和V

，V

和V

分别成180

度互补导通，V

1、V

分别超前V

、V

一个相位，亦即移相角，其中V

和V

称为超前管，

2和V

称为滞后管[9-15]，通过调节移相角的大小来达到调节输出电压的目的。

为了便于分析所给电路拓扑原理，作如下假设：

1) 所有开关管、二极管均为理想元件；

2)所有电感、电容和变压器均为理想元件；

3)C

=C lead；C

lag

；

4)输出滤波电容足够大，可以认为是一恒压源U

，U

是输出电压；

5)飞跃电容C

足够大，其电压基本不变，为U in/2 ；

6)输出滤波电感L o很大，L o L lk/n2，n为变压器的变比。

本电路在半个开关周期中一共有8种工作模态，下半个周期的工作模态与上半个

周期的工作模态相似，故我们只分析了前半个周期的工作模态。具体分析如下：

图2.2(a) t0时刻

图2.2(b) [t0，t1]

图2.2(c) [t1，t2]

图2.2(d) [t2，t3]

图2.2(e) [t3，t4]

图2.2(f) [t4，t5]

图2.2(g) [t5，t6]

图2.2(h) [t 6，t 7]

图2.2(i) [t 7，t 8] 图2.2 各工作模态等效电路图

1）模态0（t 0以前）

V 1和V 2导通，能量传输到变压器次级。变换器原边电流流过V 1、V 2、谐振电感L lk 、

变压器原边绕组，最后回到电源。

变换器次级回路由整流二极管D r1、滤波电感L o 、输出滤波电容C o 与负载R o 以及变换器次级组成。 2）模态1（t 0-t 1）

t 0时刻关断开关管V 1，初级电流i p 从V 1转移到C 1中，给C 1充电，同时，通过飞跃电容C

ss 给给C 4放电，变压器原边电压下降，次级电压相应下降。电路的等效电路

如图2.3

所示。其中，将输出滤波电感看作无穷大，视为一恒流源。

图2.3 模态1等效电路图

设C 1=C 4=C lead ，电压U c1、U c4和电流i p 分别为：

10()2o

c lead

nI U t t C =

? (2-1) 40()22in o

c lead

U nI U t t C =

? (2-2) p o i nI = (2-3) 由于电容C 1和C 4，

开关管V 1是零电压关断。t 1时刻，电容C 1两端电压充电至U in /2，C 4两端电压放电至零。箝位二极管D 5自然导通，二极管D 4自然导通，将开关管V 4两端电压箝位在零电位。此时可以零电压开通V 4，模态1结束。

在t 1时刻，C 1的电压上升到U in /2，C 4的电压下降到零，箝位二极管D c1自然导通，模态1的持续时间为：

01/lead in o t C U nI = (2-4) 3）模态2（t 1-t 2）

此模态中，变换器原边电压为零，变换器的等效电路如图2.4所示。

图2.4 模态2等效电路图

4）模态3（t 2-t 3）

t 2时刻，开通开关管V 4，由于二极管D 4已经先导通，故开关管V 4为零电压开通。此时，V 4中没有电流流过，初级电流i p 流过V 2、谐振电感L lk 、变压器初级以及箝位二极管D 5。此模态中。变换器初级电压为零，次级电压同样为零。i p 处于自然续流状态，次级两个整流二极管同时导通。 5）模态4（t 3-t 4）

t 3时刻，开关管V 2关断，此时，初级电流i p 给C 2充电，同时通过飞跃电容C ss 给C 3放电。由于电容C 2和C 3，V 2是零电压关断。此模态结束时，C 3两端电压被充电至零电位，二极管D 3自然导通。此模态中，输出电感L o 和电容C 2、C 3在谐振工作，变换器初级电流i p 和电容C 2和C 3两端电压为：

33()cos ()p p i I t t t ω=?

(2-5) 233()sin ()c p U t t t ω=

? (2-6) 333()sin ()c p lag

U I t t t ω=

? (2-7)

其中，ω=

。

此模态所维持的时间为：

341

sin t ω

(2-8)