一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

（b） 局部放大图

图4 斜率补偿图

由几何关系可知

Rf·Δi（0）=ac＋ce=ab·m＋ab·m1

－Rf·Δi(Ts)=bf－bd=ab·m2－ab·m（6）

式中：m为补偿信号上升斜率；

m1为电感检测电流上升率；

m2为电感检测电流下降率。

所以，经过一个开关周期后，输出电感中电流的变化为

Δi(Ts)=Δi（0）· （7）

同理，经过n个周期后，输出电感的电流变化为

Δi(n ·Ts)=Δi（0）· （8）

要系统稳定，偏移电流量必须趋近于零，即

=|Δi(n·Ts)|=0 （9）

故系统稳定的充要条件是

1（10）

因为在稳定条件下，D ·m1=(1－D)m2，消去m1，整理后，移相峰值电流控制系统稳定充要条件为

（11）

由式（11）可知，当没有斜率补偿时，即m=0，必须要求移相占空比Dα0.5，这就是理论上不加补偿时，移相占空比Dα>0.5时系统将不稳定；在控制工程实际中，补偿斜率m一般取为m=(0.7～0.8)m2，这样既保证了系统符合稳定条件，又保证了系统动态指标。

5 实验结果

综合考虑以上分析，研制了一台250W带输出饱和电感的三电平ZVS直流变换器。并比较了加入饱和电感和不加饱和电感时的特性。样机的实验参数如下：

Vin=300V；f=100kHz；Vo=47～50V；Io=5A

主要器件设计参数如下：

移相控制IC:UCC3895

Q1～Q4:IRF840

Cs:0.68μF/450V

Tr:ETD40 PC40;Np:Ns=22:10

Lf:190μH

Lr:6μH G25－DF57

Ls1;Ls2:10×8×46025Z N=4

C1000μF

从实验波形图5、图6可以看到，在负载为5％Io的轻载条件下，超前和滞后桥臂基本可以实现ZVS软开关，并且波形比较干净，说明开关干扰很小，实现了软开关。同时开关管的电压应力仅为输入电压的一半，约150V。说明变换器顺利实现了ZVS三电平。

图5 超前臂在5％Io时vgs和vds波形(CH1-vds;CH2-vgs)

图6 滞后臂在5％Io时vgs和vds波形(CH1-vgs;CH2-vds)

图7、图8比较了不带饱和电感和带饱和电感时输出二极管的波形（Io=5A）。可以看到，实际波形和理论分析相符合，加入饱和电感时有效降低了输出电压尖峰振荡，输出特性稳定，防止了输出二极管的过冲损坏。

图7 不加输出饱和电感时输出二极管两端波形(Io=5A)

图8 加入输出饱和电感时输出二极管两端波形(Io=5A)

图9是带饱和电感原边电压波形(Io=5A)，波形与ZVS三电平理论分析一致。

图9 加入输出饱和电感时变压器初级电压波形（Io=5A）

测试了此样机的效率特性，如图10所示，比较了带饱和电感和不带饱和电感时的效率曲线。加输出饱和电感时，整机效率要提高1％～3％。这是因为磁开关的作用，它减小了副边二极管的寄生振荡，阻止二极管的反向恢复电流。同时，由于在输出依靠外加续流二极管续流，谐振电感可以相应得到减少，减小了副边占空比丢失，这样也降低了原边换流时的损耗。另外证明加入的钴基非晶磁芯损耗很小。

图10 效率与输出负载的关系曲线(Vin=300V)

6 结语

本文提出了改进型ZVS三电平直流变换器。理论和实验证明，采用输出饱和电感启动励磁电感，同时配合输入谐振电感实现ZVS三电平的新型电路，是一种简单、可靠、经济实用的零电压直流变换器。

1）配合零电压软开关和三电平电路，集合它们的各自优势，在较宽负载范围内实现ZVS；

2）有效降低输出二极管的电压尖峰和寄生振荡，减少副边占空比丢失，提高效率；

3）容易实现峰值电流型的移相控制，控制策略简单，只要进行适当的斜率补偿，就可提高系统稳定性。