一种基于软开关三电平DC／DC开关电源的研制

摘要：提出了一种新型具有无源箝位网络的零电压零电流转换(ZVZCS)半桥三电平直流变换器，其特点是通过次级无源箝位网络实现超前桥臂在一定负载范围内的ZVS和滞后桥臂的ZCS。对变换器工作原理及软开关实现条件进行了详细分析，并在Pspice 9．2环境下对变换器进行了仿真实验，结果表明该拓扑能实现所有功率开关管的软开关及二极管的软换流，且次级电压应力较低。在实验样机上进行了测试分析，实验结果与理论分析一致，进一步验证了该新型DC／DC变换器的可行性和正确性。此外，该交换器还在一定程度上改善了传统ZVZCS三电平变换器的占空比丢失问题，使整机功率损耗小、效率高。
关键词：变换器；软开关；三电平；电压应力

1 引言
目前，开关电源正朝着高频、高效、环保等方向发展。与传统拓扑结构相比，三电平变换器由于具有开关管电压应力为输入直流电压的一半，适合输入电压较高的场合，输出电压谐波小等优点，从而备受关注。此外，伴随着高频化发展，出现了软开关技术，并结合三电平产生了不同拓扑的DC／DC变换器。传统ZVS半桥三电平DC／DC变换器轻载时滞后管难以实现ZVS，且开通损耗严重。ZVZCS变换器消除了ZVS三电平变换器零状态时变压器初级环流，减小了初级通态损耗，同时改善了占空比丢失问题，近年来得到了广泛研究。
这里提出一种新型ZVZCS半桥三电平DC／DC变换器，其次级采用了一个简单的无源筘位网络，通过这个无源箝位网络实现了超前桥臂在一定负载范围内的ZVS和滞后桥臂的ZCS。

2 主电路工作原理
图1为新型半桥三电平DC／DC变换器拓扑。

由图1可见，次级采用的无源箝位网络主要由箝位电容CA和二极管VDA1，VDA2，VDA3构成。变压器次级中心抽头通过VDA1连接到CA，将次级电压箝位在一个较低的水平。Cs1，Cs2为等值的输入分压电容，VDc1，VDc2为箝位二极管，Css为飞跨电容，Llk为变压器漏感，n为变比，VDR1～VDR4为整流二极管，Lf，Cf分别为滤波电感、电容，Uin，Uo为输入、输出直流电压。采用移相PWM控制策略，工作波形如图2所示。

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为简化分析，作如下假设：电路各器件均为理想元件；Lf足够大，其电流不变；将Cf看作恒压源。变换器在半个稳态开关周期内有9个工作模态，分析如下：
新周期开始前超前管VS1导通，负载电流通过整流二极管续流，a，b间电压、次级电压、初级电流分别为uab，urec，ip，此时uab=urec= 0，ip=0。
模态1(t1～t2) t1时刻，滞后管VS2导通，新周期开始。由于ip=0，VS2此时ZCS开通。uab=Uin／2，ip线性增加。由于ip仍小于负载电流Io折算到初级的值Io／n，VDR1～VDR4全部导通，urec为零，说明该模态中次级存在占空比丢失现象。
模态2(t2～t3) t2时刻，ip达到Io／n，VDR1，VDR4关断，初级开始向负载传递能量。由于CA上电压为零，VDR1，VDR4为ZVS关断。同时VDA1导通，输入部分能量通过Ilk，VDA1向CA充电。记Uins(m2)为此模态中初级折算到次级的等效电压，Llk(m2)为折算到次级的等效漏感，则CA的电流iCA电压uCA，ip及urec分别为：

模态9(t9～t10) t9时刻，CA放电结束，VDA2关断(ZVZCS)，Lf，Cf开始提供负载电流，VDR1～VDR4全部开通，负载电流通过整流二极管续流。

3 实现ZVZCS的条件
3．1 超前桥臂ZVS范围
续流阶段超前臂的ZVS特性与原来的ZVS移相控制电路相比有所不同，VS1关断后，在urec下降到UCAM之前，超前臂的瞬态过程与ZVS移相控制电路一致，Lf参与谐振；在urecUCAM后，仅有漏感参与谐振过程，为实现超前臂的ZVS，必须有一定的漏感储能。
模态5中，urec下降到UCAM，Lf参与对C1充电，对C4放电，根据式(2)中第3式，可得：

式中：IoZVSm为实现ZVS的最小负载电流。[p]