全桥三电平直流变换器的最佳开关方式

1 引言
    为降低逆变器输出谐波含量，文[1]提出了一 种中点箝位脉宽调制逆变器，可以大幅降低逆变器输出电压的谐波含量。同时该文中提出：在输入电压相同的情况下，该逆变器中开关管的电压应力是传统逆变器开关管电压应力的1/2。
    为降低直流变换器中开关管电压应力，文[2]、[3]参考上述逆变器提出了ZVS PWM三电平直流变换器，可以使开关管的电压应力降为输入电压的1/2。文[4]、[5]针对该变换器实现软开关较困难的弱点提出增加飞跨电容来实现开关管之间的解耦，从而达到易于实现软开关的目的。文[6]提出了三电平直流变换器的一族PWM控制方式，同时将软开关PWM三电平直流变换器归纳为ZVS(零电流开关)和ZVZCS(零电压零电流开关)两类，分别指出了适合它们的控制策略。
2 三电平拓扑变换
2.1 直流变换器三电平拓扑的分析方法
    仔细分析以上文献中提及的三电平直流变换器，发现它实质上是半桥直流变换器的三电平拓扑变换，可以这样来理解它的推导过程：① 为了解决开关管电压应力高的问题，首先要找到开关管电压应力的来源。在半桥直流变换器中开关管的电压应力大小为输入电源电压，来源即是输入电源；②　将输入电压均分为大小相等的2份。在半桥直流变换器中已经具备有2只电容，可将输入均分；③　将2只开关管的每1只分别用2只串联的开关管代替，这样2只开关管的电压应力之和就是原来1只开关管的电压应力；④　加入箝位二极管使开关管的电压应力保持均衡；⑤加入飞跨电容有助于实现软开关。
    这样就得到半桥直流变换器的三电平拓扑。可称该推导过程为半桥直流变换器的三电平拓扑变换过程，改称该变换器为半桥三电平直流变换器。这种变换思想稍改进就可推广到其它直流变换器中，分析其它变换器三电平拓扑的由来。
2.2 全桥三电平直流变换器
    全桥直流变换器由于结构上的优势在中大功率的开关电源中应用较多。依据上述三电平拓扑变换的思想，若能对它进行三电平拓扑变换，无疑可以使之工作在输入电压更高的场合，变换效率可以更高，进一步拓宽它的应用范围。
    根据上述思路，对全桥直流变换器进行三电平拓扑变换，得到图1所示的全桥三电平直流变换器。其中A、E连在一起，暂时不考虑图中虚线部分。

3  全桥三电平直流变换器的最佳开关方式
3.1 最佳开关方式的寻找条件
    为分析方便，作如下假定：
    （1）只考虑电路稳态过程，忽略其暂态过程；
    （2）变换器中各器件均为理想器件；
    （3）输出滤波电感足够大，其电流基本不变，可近似看作为一电流源。
    全桥直流变换器的三电平拓扑中开关管成倍增加给新的控制方式提供了基础。受全桥直流变换器采用移相控制后可以使开关管实现软开关的启发，在三电平拓扑中可以找出实现开关管软开关的控制方式，改善开关管的工作条件。依据文[7]、[8]提到的电压波形如图2中v₂与v₁比较, 可以使电感电流脉动达到最小，在研究时可以考虑滤波电感电流脉动最小的开关方式，从而可以降低滤波电感的大小，提高系统响应速度。据此，对全桥三电平直流变换器的开关方式进行研究，从中找出最佳开关方式，既可以使开关管实现软开关，又可以使滤波电感的电流脉动达到最小。

       综上所述，最佳开关方式应该满足如下条件：
    （1）在同样的占空比下，功率传输最大；
    （2）滤波电感电流脉动最小；
    （3）实现开关管的软开关。
    这3个条件是合理的。之所以提出条件（1），因为变换器的目的就是为了功率传输，在同样的输入电压和同样的占空比下，输出功率自然是越大越好。下面将用这3个条件对所有的开关方式逐一进行筛选，找出理想方案。
3.2 基于A、B两点电压波形相同的一族开关方式的最佳遴选
    全桥三电平直流变换器分别由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅、Q₆、Q₇、Q₈组成了2个桥臂，结构相同。桥臂的中点分别为A点和B点。首先来考虑A、B两点电压波形完全相同时的情况。
    在第1个桥臂中，调整开关管的导通和截止，A点可以得到3种电平：① Q₁、Q₂导通，Q₃、Q₄截止：v_A=+V_in/2；② Q₁、Q₂截止，Q₃、Q₄导通：v_A= -V_in/2；③ 有电流流过D₉、Q₂时，或有电流流过Q₃、 D₁₀时：v_A=0。在第2个桥臂中，B点的情况与之相同。
    这样在v_A与v_B波形占空比不变的条件下调节v_A与v_B波形之间的相角——开关相角a，就可以使A、B两点之间的电压v_AB出现5种电平：+V_in，+V_in/2，0，-V_in/2，-V_in。v_AB就是变压器原边绕组的电压，经过副边绕组和整流二极管，C、D两点之间得到电压v_CD=v_AB/K，其中K为变压器原副边匝比。调节v_CD的占空比，也就是调节v_AB的占空比，或是调节v_A和v_B的占空比，就可以调节V_o。
    调节开关相角a在[0, π]变化，可以得到6种不同的v_CD波形，如图3所示。当开关相角α在[π, 2π]变化时得到的v_CD波形与图3所示的6种波形一致，不再讨论。把所有能得到如图所示的v_A与v_B电压波形的开关管开关方式全部归入此类，就得到了全桥三电平直流变换器基于A、B 两点电压波形相同的一族开关方式。
    下面用给出的3个条件对上述方案进行筛选。
   （1）能量传输比最大的方案
    由于v_A和v_B的占空比D_y相同，输出与输入能量传输比的大小无疑是寻求最佳开关方式的首选因素。当π(1-D_y)<α<πD_y时，从图中很清楚地看出v_CD的面积没有达到最大值，这是因为v_A和v_B在同电平上有交叠而引起。所以图3(a)、图3(b)和图3(c)等3种开关方式不可取。
    当πD_y£α£π时，v_A和v_B在同电平上已经没有交叠，其能量传输比达到最大且不再随a 改变。所以图3(d)、图3(e)和图3(f)等3种是符合条件（1）的方案。
   （2）滤波电感电流脉动最小的方案
    比较图3(d)、图3(e)和图3(f)三种电压波形，图3(d)所示的v_CD波形可以使滤波电感的电流脉动达到最小，满足条件（2），这是因为该电压波形的交流成分最小。
   （3）实现软开关的方案分析
    若有图3(d)所示的v_AB波形，就可以得到v_CD波形。只须研究v_AB波形是否可以使开关管实现软开关。仔细观察该波形，它有3种电平跳变：①下降跳变：从+ V_in跳变到+V_in/2或从- V_in跳变到- V_in/2；② 正负反转跳变：从+ V_in/2跳变到- V_in/2或从-

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