三电平ZCS充电结构的工作特性研究

摘要：本文探讨了将三电平变换器应用于充电电源的可能性，从其工作原理入手分析了其工作特性、指出了其存在的优势并给出了三电平ZCS充电结构的参数设计依据。另外，还针对储能电容的取值进行了论述，指出储能电容的取值对重复精度的影响。最后通过设计若干组仿真实验进行了验证，得出TL变换器可以用于改善充电电源某些方面的性能指标的结论。
关键词：三电平；串联谐振；充电电源；零电流关断(ZCS)

0 引言
三电平变换器简称TL变换器，是20世纪90年代提出来的一种变换器结构。该结构的最大优点在于能够降低开关管承受的电压应力，方便开关管的选择，减小其重量和尺寸。在大多数开关电源中，由于DC／DC前级加入了功率因数校正电路，DC／DC变换器的输入电压会达到600～l000V，传统的两电平变换器上单个开关承受的电压就达到了600～1000V，再考虑到一倍的裕量，需要选择耐压达1200～2000V的开关管。这就增加了选型的难度，如果再要求DC／DC变换器以更高频率工作，选型就更加困难了。正是因为TL变换器能够降低电压应力，所以在开关稳压源中这种变换器结构得到了越来越多的应用。许多文献对TL变换器在开关稳压源中的应用进行了论述，但是探讨TL变换器用于充电电源的文献却不多，论述也不完整。本文从TL变换器的工作原理人手，对其特性进行了详细地论述，并将其工作特性与两电平变换器做出了优劣对比分析，最后得出相关结论。

1 工作原理
图l为三电平ZCS恒流充电电源主电气结构示意图。

图2一l中，C1与C2为储能电容，这之前为三相整流与软启动电路，之后为充电电路，包括三电平变换器、谐振电路及高压整流环节。
三电平恒流充电电源的工作可以分全电压模式和半电压模式过程来分析。
1)全电压模式过程分析
G1、G2、G6为一组，G3、G4、G5为一组，这两组轮流导通。当其中一组导通时，2个储能电容电压Us直接加至谐振电路端，构成的1个工作阶段简化电路如图2所示。图2为二阶动态电路。在复频域中对这个电路列写方程并求解，可得：

[p]

式中：t0，t1一阶段1充电起始、结束时间

Ceq为Cr与CL串联而成，CL为CL等效到变压器初级的值。当CL>>Cr时，Ceq≈Cr。这是串联谐振充电电源的一个特点，即高压充电时，对不同的负载充电不会影响谐振电路的特征阻抗及谐振频率。
由式(1)可以看到，工作阶段l的充电电流呈正弦状。当充电电流逐渐变化到0日寸，工作阶段1结束。此时，充电电源进入工作阶段2，其工作简化电路如图3所示。

工作阶段2为反向续流阶段。这时的充电电流流经续流二极管，方向与工作阶段1相反。当进行这个阶段后，工作阶段1中开通的开关可以关断，并且为零电流关断，开关关断损耗为0。图3也是二阶动态电路。同样对二阶动态电路列写复频域方程并求解，可得：

式中的各项参数同公式(1)。
当工作阶段2完成后，G3、G4、G5开通，开通时的分析同上，分别得到工作阶段3和4。对每次谐振电流求取平均值：

式中：t一单次充电时间
T一谐振周期
△UL一负载电压
依据式(5)和式(6)就可以确定两电平充电谐振电路参数以及充电电流的大小。
2)半电压模式过程分析
G2、G6为一组，G3、G5为一组。这两组轮流导通。当其中一组导通时，一个储能电容上的电压Us／2直接加至谐振电路端，构成的一个工作阶段与全电压模式工作阶段l类似，不同的只是源电压由Us变成了Us／2。
随后进行的工作阶段2为反向续流。因为电流流经路径与全电压模式阶段2相同，故电流表达式相同。
这样，可以采用全电压模式工作中的分析方法，得到半电压模式的平均充电电流表达式：

结合负载电容的能量公式，可以得到：

根据式(8)就可以确定三电平充电谐振电路参数以及充电电流的大小。[p]
2 工作特性及参数设计
充电电源有2个重要的指标：充电精度和重复精度。
充电精度是指负载电压达到额定值、开关管零电流关断时实际电压与额定电压之差与额定电压的比值，这个比值越小，充电精度越高。充电精度的定义式为：
由前一节的分析可知：半电压模式下的充电电流为全电压模式下的3／4，所以半电压模式下的阶梯电压较小，在负载电压达到额定值时等候零电流关断的这段时间内负载电电压的增加值较全压模式为小，所以充电精度有所提高。半电压模式的充电精度值约为全电压模式的3／4。
对于充电电源而言，负载从储能电容中提取的能量在充电初期较小，而在充电末期增加迅速，可以由负载能量公式得出：

可以看到：负载提取的能量随负载电压的增加而增大。所以，如何才能减小负载在充电末期的能量需求，减小储能电容上电压的下降速度，保持其上电压的稳定性
从上节的分析可以看到：全电压模式下的充电电流较大、充电速度快，而半电压模式下的充电电流较小、充电速度慢，对负载电容而言，半电压模式下其对能量的提取较全电压模式下为小，所以应该在充电末期采用半电压模式充电。但是对于整个充电时间而言，半电压模式花费的充电时间长，所以为了既保证充电时限，又提高储能电容电压的稳定性，可以采用先用全电压模式工作，再半电压模式工作的方式。为了实现模式转换，充电电路参数需要遵守如下设计原则：
(1)变压器参数按半电压模式设计；
(2)谐振参数按全电压模式设计。
当变压器参数按半电压模式设计时，变压器的匝比提高一倍。在这种情况下，充电电源全电压模式工作时负载达到额定电压时变压器的初级电压为Us／2，这样，根据变压器的伏秒特性e△t=N△BS，当e减小一半时，在其它参数不变的情况下，变压器磁芯的截面积减小一半，可以大大减小变压器磁芯的重量。除此之外，变压器匝比提高后，负载达到额定电压后的初级电压降低，由式(1)和式(2)可以看到：充电末期的正向充电电流并没有达到最大值(2倍的初期充电电流)，反向续流也没有减小到0。阶段1的电流峰值减小，实现充电结束时的ZCS(零电流关断)，可以提高充电精度。
由于半电压模式下负载需求瞬时功率减小，所以储能电容也可以减小，这就减小了储能环节的重量和体积。但是储能电容不能减小太多，因为储能电容太小，一次充电结束后整流前级为其补电，由于功率因数校正电路的影响，会使得储能电容上的电压波动较大，在充电电源以重复频率工作时不能保证较高的重复精度。

3 仿真实验
如图4为三电平ZCS恒流充电电源仿真模型。
三电平ZCS恒流充电电源的工作参数如下：
谐振频率40kHz，开关频率20kHz，变压器匝比110或220，储能电容5 000μF或10 000μF，负载电容0．24μF，负载额定电压50kV，额定功率30kJ／s，重复频率1 00Hz。
为了突出三电平变换器的优点，分别做以下3个实验：
(1)变压器匝比110时，三电平变换器仅采用全电压模式充电，谐振电感8．64μH，谐振电容1．87μF，储能电容为5 000μF及10 000μF；
(2)变压器匝比220时，三电平变换器仅采用全电压模式充电，谐振电感3．2μH，谐振电容4．96μF，储能电容为5 000μF及10 000μF；[p]
(3)变压器匝比220时，三电平变换器先采用全电压模式充电，再采用半电压模式充电，模式转换时间设置在8ms，谐振电感4．05μH，谐振电容3．9lμF，储能电容为5 000μF及10 000μF。根据以上3个实验可以得到表l中所列数据。
由表1可以得出以下结论：

(1)对于同一充电结构，储能电容值的大小对充电精度没有多大影响，但是对重复精度有较大的影响。三电平混合模式下负载功率需求降低了，储能电容电压波动较小，对于提高重复精度有利；
(2)同一储能电容值下，三种充电模式充电精度为：三电平混合模式>三电平半电压模式>两电平。三电平混合模式下的变压器次边充电电流值较小，所以能提高充电精度；
(3)虽然三电平变换器能够提高充电精度，但是其代价是：变压器初级充电电流比两电平变换器大一倍；
图5为实验3中TL变换器混合模式充电时的功率波形。

4 结束语
由此可以看出：TL变换器采用混合模式充电可以提高充电精度和重复精度，在某些对充电精度和重复精度有要求的应用领域有其优势。除此之外，三电平充电结构还可以将开关管承受的电压应力降低一半，所以可以选择低耐压且高频率的开关管了，可以一定程度上减小电源的尺寸和重量。