三電平軟開關直流變換器典型拓撲分析

1 引言

近年來，人們對電力電子裝置的電壓等級和功率等級的要求不斷提高，三電平變換器作為順應這一潮流的一種解決方案受到越來越多的關注。三電平^[1]大大降低了開關管的電壓等級，這樣有利于減小開關損耗，提高效率，降低成本。為了減小變換器的體積和重量，高頻化是電力電子學一直追求的目標，伴隨著高頻化，功率器件的開關損耗問題成為一個日益突出的矛盾，由此軟開關技術應運而生，成為降低開關損耗，提高系統效率以及改善EMI問題的一個重要手段。

三電平零電壓軟開關直流變換器即是由此應運而生的一種新型，實用的拓撲，通過采用移相控制技術，利用開關管的結電容和變壓器漏感的諧振實現開關管的零電壓開關。通過高頻變壓器漏感儲能對功率開關管兩端輸出電容的充放電使開關管兩端電壓下降為零，使變換器4個開關管依次在零電壓下導通，在緩沖電容作用下零電壓關斷，從而有效地降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中的電磁干擾，為變換器提高開關頻率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的條件。

但在實際應用中，三電平零電壓軟開關（ZVS）變換器存在著幾個較難克服的問題，從而出現了一系列改進拓撲。為此，本文系統地總結和分析了目前較為實用和典型的三電平零電壓軟開關變換器拓撲。

2 傳統三電平零電壓軟開關直流變換器優缺點

傳統的三電平ZVS軟開關直流變換器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，簡稱TL-ZVS DC/DC converter）如圖1所示。其拓撲特點^[2]是引入大容量飛跨電容C_ss，變換器工作時其電壓穩定在V_in/2，使得超前管、滯后管實現軟開關的條件相互獨立，互不干擾；并且將移相技術與軟開關技術結合起來，能很好地降低電路中的損耗，提高效率。因此，非常適合高輸入電壓中大功率場合。

圖1 傳統的三電平移相全橋ZVS變換器

但是，傳統的三電平ZVS軟開關直流變換器也存在不少問題。諸如

1）滯后臂在輕載情況下很難實現軟開關，使得它不適合應用于負載大范圍變化的場合；

2)環流能量大大增加，輸入V_in越高，變換器效率越低，因為，V_in越高，零狀態時間越長；在零狀態時，原邊電流處于自然續流狀態，一次側沒有能量傳遞到輸出級，而在變壓器，諧振電感和開關管中卻存在通態損耗；

3）由于諧振電感的存在，使得變壓器副邊有占空比丟失現象，變壓器漏感L_1k越大，占空比損失D_loss越大，D_loss使次級占空比D_sec減?。?

4）副邊整流二極管電壓尖峰大。

3 改進拓撲分析

3.1 滯后臂輕載軟開關的實現

參見圖1，為了改善傳統的三電平FB-ZVS變換器滯后臂的零電壓開關負載范圍，一個最直接的方法就是增加變壓器的漏感或在變壓器原邊串接一個電感L_r，以增大諧振電感的儲能，使之在輕載下也可以實現對滯后臂開關管并聯電容的完全充放電，實現滯后臂開關管的零電壓導通。但這樣做有以下缺點。

1)環流能量進一步增加 設變換器的零電壓導通負載范圍為I_o≥I_omin，I_omin=20％I_omax（I_omax為變換器滿載運行時輸出電流值）。當變換器以20％負載運行時，滯后臂開關管關斷時的電感儲能為

E_min=(L_lk＋L_r)I_omin²/(2n²)

當以滿載運行時，電感儲能

E_max=(L_lk＋L_r)I_omax²/(2n²)

從而有

=25

這說明，滿載運行時，系統環流能量將是滯后臂開關管零電壓導通實際所需能量的25倍。這將直接導致變換器通態損耗大大增加。