一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

  摘要：介绍了一种带输出饱和电感的移相零电压开关PWM三电平直流变换器，与传统的零电压三电平比较，它具有在较宽负载范围内实现零电压软开关；减小副边占空比丢失；减小输出二极管的寄生振荡及电压尖峰等特点。实验样机表明，该电路整机效率高，采用电流峰值控制后，系统的稳定性高，易于实现中大功率DC/DC变换。

  目前，在中大功率通信DC/DC电源中，三电平直流变换器（Three-Level DC/DC Converter）成为研究的热点[1][2]，该拓扑可以使开关管电压应力为输入直流电压的一半，这在有三相PFC输入的场合（输出直流一般为760～850V）是一个极大的优势，它可使低压开关器件用于高压上。实际上，三电平电路是半桥电路的延伸，但与半桥电路的硬开关相比，三电平变换器巧妙结合移相电路的特点，利用变压器漏感（或外加谐振电感）和开关管的寄生结电容谐振实现开关管的ZVS。

  与传统的移相全桥ZVS软开关一样，对于滞后臂软开关，传统的移相ZVS三电平很难在轻载时实现ZVS，并且存在占空比丢失的问题。针对ZVS三电平电路的不足，提出了零电压零电流（ZVZCS）三电平变换器[3]，其中两只实现开关管的ZVS，另外的两只实现开关管的ZCS。但是，电路均会由于输出二极管存在反向恢复问题，而引起输出电压振荡，使二极管承受很高的电压尖峰，而易损坏。

  本文提出一种带输出饱和电感及续流二极管的改进型ZVS三电平变换器。250W样机实验结果证明，它有效地克服了ZVS电路的不足之处，把三电平变换器和移相控制很好地结合在一起。与传统ZVS三电平比较，成本并不会提高很多，易于实现中大功率变换。本文将首先阐明它的工作原理，然后提出饱和电感的设计思路，以及峰值电流控制模式的稳定性分析，最后给出了实验的结果和波形。

  图1中，Q1和Q4是超前桥臂，Q2和Q3是滞后桥臂，Cs是飞跨电容，Dc1和Dc2是箝位二极管，Lr为谐振电感，Ls1和Ls2为输出饱和电感，Ds为续流二极管。与传统的ZVS三电平比较，它增加了次级饱和电感Ls1、Ls2和输出续流二极管Ds。

  一般移相三电平在一个完整的开关周期有12个开关状态，除了正半周和副半周的2个功率输出过程和2个箝位续流过程外，还有超前臂工作期间从死区时间开始的谐振和换流过程，以及滞后臂工作期间从死区时间开始的谐振和换流过程。

  为了实现ZVS软开关，超前及滞后臂都必须有足够的电感量来吸收开关管寄生电容与变压器分布电容上的电荷，如下式

  三电平零电压超前桥臂由于有励磁电感和输出电感折算值n2Lf参与谐振，因此有足够的能量在很宽范围内实现超前臂ZVS。但是，传统ZVS三电平在滞后臂谐振的时候两输出整流二极管同时处于续流状态，只有原边的谐振电感Lr参与谐振，输出电感和励磁电感都不参与谐振换流。由于Lr《n2Lf，相对于超前臂而言，滞后臂很难在宽范围内实现ZVS，同时在换流过程，ZVS电路会发生副边占空比丢失。

  加入输出饱和电感和续流二极管后，改变了滞后臂的换流过程，励磁电感将参与谐振换流。根据饱和电感的特性，在超前臂Q1和Q4在换流过程中与传统的ZVS三电平类似，此时饱和电感由于电流大，处于饱和低阻导通状态；滞后臂Q2和Q3换流时，初级电流降到励磁电流，输出整流二极管电流趋近于零，饱和电感很快退出饱和，呈现高阻断状态，输出电流全部流过续流二极管Ds，变压器转化为纯电感状态，从而启动励磁电感参与滞后臂的串联谐振。由于等效的谐振电感大幅度提升，在初级电流近似不变的条件下，根据式（1），滞后臂会有足够能量吸收寄生电荷，实现宽范围ZVS。同时在加入饱和电感后，由于滞后臂有励磁电感参与谐振，谐振条件与负载关系不大，所以在设计原边谐振电感时可以尽量减小该电感，这样，根据文献[2]对占空比丢失的讨论，能减小副边占空比丢失。

  饱和电感的特性相当于磁开关，在电流小于Ic时，饱和电感不饱和，电感量很大，磁关断输出整流二极管，这样有效地阻挡了由输出二极管产生的反向恢复电流，从而减小了由二极管寄生电容与变压器输出漏感引起的电压振荡，同时减小电压尖峰。

  本文讨论的是VITROPERM 6050Z钴基非晶磁芯，它的磁导率为2000～3000，有很低的磁芯损耗和非常高的矩形比，当电流在接近零时有很大的电感量。这个很大的电感量可以轻松又有效地阻挡由二极管产生的反向恢复电流。该磁芯在比较小的电流条件下就能进入饱和。

  饱和电感的磁滞回线所示，其工作过程如下：到达工作点1时（电流导通），磁芯处于饱和状态，有很低的电感量。当电流关断时，工作点到达剩磁点2。二极管的反向恢复效应使得电流向小于零的方向减小，这时，由于钴基非晶有非常高的磁导率，因此它的电感量很大，有效地抑制了二极管的尖峰电流，实现了二极管的软恢复。由于高电感值，阻止了磁芯工作在工作点3，而留在反向剩磁点4，然后被磁化开始下一个循环。

  SatrrVrIo

  峰值电流型控制是20世纪80年代出现的新控制模式，它具有动态性能好；输出精度高；增益带宽大；瞬间限流保护等特点。目前许多移相控制ZVS多采用此控制系统。当然移相三电平ZVS也不例外。

  如图3所示，系统将代表开关管瞬态电流动态信号VL与一个固定开关频率、幅值很小的锯齿波信号Vm相叠加（锯齿波是斜率补偿，下面将会讨论），然后再与参考电压信号Ve作比较，共同决定导通桥臂的移相角。这样组成了一个电压外环，峰值电流内环的电流型控制管理系统。4个开关管的占空比D是固定保持在约50％的，只是导通桥臂移相角决定了变压器能量转换的伏秒值，它是既与参考电压成正比，又与开关管的瞬间电流峰值相关，这样保证了开关管的瞬间电流峰值跟随参考电压的变化。该控制模式具有与移相控制结合的能力，并实现瞬间限流调整，可以对开关器件进行动态保护，同时也可以自动保持高频功率变压器的动态平衡。

  在峰值电流型控制中存在一个比较突出的问题，即在连续模式移相占空比D50％时，随着偏移量i变化，经过几个状态周期的推移，偏移量将会慢慢的大，这样闭环系统将进入不稳定，引起次谐波振荡，电感电流振铃等。为了能够更好的保证系统稳定一定要通过斜率补偿的方法来实现系统稳定，这样虽然牺牲了一些系统增益，但会使系统在移相占空比D50％时保持稳定。系统稳定性与斜率补偿的关系如图4所示。以下是它的斜率补偿稳定分析。