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综述目前，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一、 零电压开关PWM三电平直流变换器工作原理随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 对 电 能 变 换 装 置 的 要 求 越 来 越 高 ， 特 别 是 对 输 入 功 率 因 数 的 要 求 越 来 越 高 三 相 功 率 因 数 校 正 变 换 器 输 出 电 压 一 般 为 DC 760～ 800V， 有 时 甚 至 达 到 1000 V， 这 就 要 求 提 高 后 级 直 流 变 换 器 开 关 管 的 电 压 定 额 ， 使 得 很 难 选 择 合 适 的 开 关 管 为 了 克 服 这 个 问 题 ， Barbi教 授 提 出 了 三 电 平 直 流 变 换 器 (Three－ level Converters)的 概 念 ， 在 该 变 换 器 中 ， 开 关 管 的 电 压 应 力 是 输 入 直 流 电 压 的 一 半 为 Uin/2的 交 流 方 波 电 压 uAB 经 过 高 频 变 压 器 和 输 出 整三 电 平 直 流 变 换 器 的 基 本 电 路 如 图 1所 示 。

电容 Cd1和 Cd2容 量 相 等 ， 并 且 很 大 ， 它 们 的 电 压 均 为 输 入 直 流 电 压 的 一 半 ， 即 Ud1=Ud2=Uin/2 VD5和 VD6为 钳 位 二 极 管 ， 通 过 控 制 四 只 开 关 管 VT1～ VT4， 在 A、 B两 点 得 到 了 一 个 幅 值流 桥 后 ， 在 C、 D两 点 得 到 幅 值 为 Uin/2N的 直 流 脉 冲 电 压 ， 再 经 过 输 出 滤 波 后 得 到 输 出 直 流 电 压 U0 N是 变 压 器 的 原 副 边 匝 数 比 通 过 调 节 uCD的 占 空 比 ， 就 可 以 调 节 输 出 电 压 U0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 图1 改进ZVS三电平电路 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。

该电路的优点是： 1）电路拓扑结构简单； 2）负载波动不大时，基本上实现了零电压开关； 3）开关管的电压应力是输入直流电压的一半该电路的缺点是：1） 虽然开关管VT和VT4利用折算到变压器原边的输出滤波电感(其数值很大)和变换 电感很容易实现零电压开关，但是 VT2和VT3只能利用变换电感来实现零电压开关，由于 变换电感一般较小，在负载较小时，其能量不足以实现零电压开关；2）在零状态时，一次侧不向负载提供能量，但一次侧有环流存在，在开关管和变压器的原边绕组中将产生通态损耗，影响了功率变换器的效率为了实现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和变压器分布电容上的电荷，如下式 LI2>Cmos＋Ctr（1） 式中:L为总的参与谐振的电感； Cmos为两个开关管寄生电容的等效值； Ctr为变压器分布电容等效值 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大增加，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，可以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和变压器输出漏感引起的电压振荡，同时减小电压尖峰。

二、饱和电感的设计本文讨论的是VITROPERM 6050Z钴基非晶磁芯，它的磁导率为2000～3000，具有非常低的磁芯损耗和非常高的矩形比，当电流在接近零时具有非常大的电感量这个很大的电感量可以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可以进入饱和 饱和电感的磁滞回线如图2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，具有非常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 图2 磁滞回线 一般来讲，饱和电感的磁通必须满足式（2） φSa≥πtrrVrIo (2) 式中：Sa为磁芯截面积； J为铜线电流密度； Fcu为铜线填充系数，对于绕线磁芯电感，取Fcu=0.3～0.4;对于铜线径磁芯电感，取Fcu=1； trr为输出二极管反向恢复时间； Vr为输出二极管反向电压； Io为输出电流。

所以具有中等线电流密度(2A/mm2)的铜线径磁芯电感，式（2）可以简化为 φSa≥1.5trrVrIo (3) 饱和电感的线径dcu为 dcu= mm (4) 所以，绕线圈数N为 N≥πtrrVr/φ (5) 三、峰值电流控制的稳定性分析 3．1 峰值电流控制原理 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 其电路原理框图如图3所示图3 电路原理方框图电路工作原理该电流表主要由电流取样电路，峰值检波电路，峰值保持电路，电流指示电路及自动清"0"电路组成电流取样电路电流取样电路由目前先进的半导体传感器霍尔电流传感器及取样电阻R1组成该传感器的响应时间小于1 μs，有利于被测电流不失真的测量与显示，在输入电流已定的情况下输出电流跟踪输入电流变化，因此在电流取样电阻R1两端可以得到跟随输入电流变化的电压波形，观察此波形，可以对被测电流进行分析，因此R1必须选用精确且阻值稳定的精密电阻。

峰值检波及峰值保持电路峰值检波电路有IC1，BG1，D1，C2组成，IC1作电压跟随器，BG1作电流放大器对C2充电，以加快取样速度,使得所取电压峰值更真实地反映输入峰值电流的变化由于峰值电流过去后，IC1的6脚处于反向偏置状态，会产生较大漏电流对C2进行放电，降低了充电峰值，因而在叫的e极串接二极管D1，以保持所充峰值电压不变 1C2为峰值保持电路，将峰值检波电容C2上的电压习经过电流放大，从而推动电流表显示被测电流值该电路采用了双连环跟随器作为峰值检波电流放大和峰值保持电路，其显著特点就是运用IC1的反向输入端策2脚接在IC2的输出端，而没有接在取峰电容器C2两端，这样当IC1输出低电压时其反向输入端的拉电流现象不会影响C2的取峰电压值，以确保被测电流能准确不失真地被显示 电流指示电路被测电流指示电路由R5，R6，及电流表头组成，将取峰电容上的电压经电流表指示为被测峰值电流，调节R6用以校准被测电流指示值 自动清"0"电路IC3-1，R7，R8组成自动清"0"门限电路，当被测电流大于满度值的5％时峰值保持，电路便开始计时R9，C3，R10,R11共同组成峰值保持定时电路，在峰值保持时间内IC3-1经R9对C3充电，达到IC3-2的翻转电压时BG2导通，继电器吸合，触点J-1对峰值保持电容C2放电清"0"，J-2对峰值保持定时电容C3放电清"0"，继电器J吸合的维持时间由电容C4决定。

D2为J线包的续流二极管注意事项(1)当输入单次单极性脉冲电流时，输入电流方向必须与传感器箭头所指方向相同，如测量交流电流则不需考虑输入电流方向2)该电路现在适用于测量单次脉冲电流，被测电流表指示峰值并保持设定时间后自动清"0"，只有在回到零点即清"0"后方可再次输入被测电流3)如需测量连续脉冲电流或测量正弦交流电路的峰值电流，则应在电路中加接控制开关断开BG2的注入电流，让继电器J不动作，即可测量连续脉冲4)在日常使用中要校对该电流表是否准确，通常可以用直流电流源串入标准直流电流表穿入多圈绕组的办法获得最佳精度(被测电流匝数＝额定输入安匝)5)使用时首先接通工作电源及输入电路，再通过被测电流 峰值电流的反馈电路如图4所示，系统将代表开关管瞬态电流。