带箝位二极管的ZVS半桥三电平变换器研究优秀毕业论文.pdf

论文题目：带箝位二极管的zvs半桥三电平变换器研究 专 业：电路与系统 硕 士 生：鲁 玲 (签名) 指导教师：刘树林 (签名) 摘 要 大功率三相 pfc 电路的输出电压高达 800v 以上，给后级 dc-dc 变换器开关管的 选择带来困难，而三电平变换器能很好地解决这一问题。三电平变换器的开关管电压应 力仅为输入直流电压的一半，非常适用于高输入电压、中大功率的应用场合。将这类变 换器与软开关技术相结合，可拓宽各种变换器的应用范围。 在论述基本 zvs(零电压开关)半桥三电平直流变换器优缺点的基础上，详细分析了 带有箝位二极管的 zvs 半桥三电平直流变换器的工作原理及箝位二极管的箝位原理、 开关管实现 zvs 的两个条件。提出一种通过采用饱和电感替代谐振电感，有效减小副 边占空比丢失的方法，并深入研究了饱和电感的选择依据和设计方法。在此基础上探讨 了变换器主要元件参数的设计方法， 重点给出了变压器的设计和绕制方法， 并利用 saber 仿真工具对变换器主电路进行了仿真分析。该变换器不仅实现了所有开关管的零电压开 关、有效减小了副边整流二极管上的电压尖峰，同时还改善了传统 zvs 三电平变换器 的占空比丢失问题，使得整机功率损耗小、效率高，具有较高的应用参考价值。 研制了一台开关频率为 50khz、功率为 1.1kw(220v/5a)、采用 uc3875 作为控制芯 片的三电平直流变换器实验样机，对样机进行了调试和实验，实验结果进一步验证了理 论分析及提出设计方法的正确性。 关 键 词：三电平变换器，zvs，箝位二极管，饱和电感，uc3875 研究类型：应用研究 subject ：research on zvs half-bridge three-level dc/dc converter with two clamping diodes specialty ：circuit & system name ：lu ling (signature) instructor ：liu shulin (signature) abstract the output voltage of the high power three-phase power factor correction (pfc) circuit is over 800v, which makes the selection of the switches of the latter dc/dc converters become difficult, while the three-level (tl) converter can solve the problem nicely. the voltage stress of tl converter is only the half of the input voltage. it is very suitable for the occasions of high input voltage, middle/large power. associating tl converter with soft switching could widen the application occasions for kinds of converters. based on analysis of the merit and weak point of basic zero voltage switching (zvs) half-bridge tl dc converter， the operation principle of the zvs half-bridge tl dc converter with two clamping diodes, the clamping function of the clamping diodes and two conditions for switches to achieve zvs are analyzed in detail in this paper. a method using saturated inductor instead of resonant inductor to reduce the duty loss effectively is presented in this paper, and the principle and design of the saturated inductor are studied deeply. based on the above analysis, the parameter choice of the main components is discussed, especially the design and winding method of the transformer. saber simulation analysis of the operation principles of main circuit is carried out. it can not only achieve zvs for all switches, but also depress the voltage spike of the secondary rectifying diodes. furthermore, it reduces the duty loss faced by the conventional zvs tl converters. thus it has low loss, high efficiency and referenced application value. a 50khz 1.1kw (220v/5a) prototype with the controlling chip uc3875 is implemented in the laboratory based on the proposed topology. the experimental results show that the zvs tl converter is feasible in practical application. it testifies the validity of theory analysis. key words：tl converter, zvs, clamping diode, saturated inductor, uc3875 thesis ：application research 目 录 i 目 录 1 绪论.1 1.1 本课题研究背景.1 1.1.1 开关变换器的软开关技术.1 1.1.2 三电平直流变换器的提出.3 1.2 国内外研究动态和发展趋势.4 1.3 本课题研究意义.9 1.4 本文的主要内容.9 2 基本 zvs 半桥三电平直流变换器.11 2.1 电路工作原理分析 .11 2.2 开关管 zvs 的实现及副边占空比丢失.16 2.2.1 开关管实现 zvs 的条件.16 2.2.2 副边占空比丢失.17 2.3 基本 zvs 半桥三电平直流变换器仿真.17 2.4 本章小结.19 3 带箝位二极管的 zvs 半桥三电平直流变换器 .20 3.1 电路组成及工作原理分析.20 3.2 电路的三个关键问题分析.28 3.2.1 箝位二极管的箝位原理.28 3.2.2 开关管实现 zvs 的条件.28 3.2.3 副边占空比丢失.29 3.3 采用饱和电感减小占空比丢失的分析.29 3.3.1 原理分析 .29 3.3.2 选择依据 .30 3.4 带箝位二极管的 zvs 半桥三电平直流变换器仿真.31 3.5 本章小结.33 4 实验电路系统主要元件参数设计.34 4.1 实验电路系统组成 .34 4.2 逆变主电路设计.34 4.2.1 主变压器设计.35 4.2.2 功率开关管选择.37 4.2.3 续流二极管和箝位二极管选择.37 4.2.4 开关管并联电容的选取.38 4.2.5 饱和电感设计.38 目 录 ii 4.3 高频整流滤波电路设计.40 4.3.1 整流电路拓扑选择.40 4.3.2 输出整流二极管选择.40 4.3.3 输出滤波电路设计.41 4.4 控制电路和驱动隔离电路设计.41 4.4.1 控制芯片简介.42 4.4.2 控制电路参数设计.45 4.4.3 驱动隔离电路设计.46 4.5 电路 pcb 设计.47 4.6 本章小结.48 5 实验结果及分析.49 5.1 实验主要参数.49 5.2 实验结果及分析.50 5.3 本章小结.54 6 结论与展望.55 6.1 结论 .55 6.2 展望 .56 致 谢 .57 参考文献 .58 附录 a 攻读硕士学位期间参与的科研项目.61 附录 b 带箝位二极管的 zvs 半桥三电平直流变换器电路 .62 附录 c 实验样机的 pcb 设计图.63 1 绪论 1 1 绪论 1.1 本课题研究背景 1.1.1 开关变换器的软开关技术 上世纪 60 年代开始得到发展和应用的 dc/dc pwm 功率变换技术是一种硬开关技 术。所谓“硬开关”是指功率开关管开通或关断时，器件上的电压或电流不等于零，在 这段时间内，电压和电流有一个交叠区，产生损耗，称为开关损耗1。 开关变换器的发展趋势是高频、高功率密度和小型轻量化。随着开关变换器工作频 率的不断提高，硬开关将会给变换器带来如下问题2：开关损耗大，该损耗随着开关 频率的提高急速增大；感性关断电压尖峰大，电流的突变会使感性元件感应出电压尖 峰，开关频率越高，尖峰就越大，很容易对电路中的开关器件造成损坏；容性开通电 流尖峰大，当开关器件在两端电压很高的情况下开通时，开关器件结电容中储存的能量 将以电流的形式耗散在该器件内，开关频率越高，电流尖峰越大，从而会引起器件过热 损坏；电磁干扰(emi)严重，开关管工作在硬开关时会产生 di/dt 和 du/dt，影响周围电 子设备工作；二极管的反向恢复问题，如果在二极管的反向恢复期内，立即开通与之 串联的开关器件，会产生很大的冲击电流，损坏二极管和开关器件。 采用软开关技术是解决上述问题的有效途径， 软开关技术实际上是利用电容和电感 的谐振，使开关器件中的电压(或电流)按正弦(或准正弦)规律变化，在电压过零时使器 件开通、在电流过零时使器件关断，从而消除开关过程中电压、电流的重叠，大大减小 甚至消除开关损耗。 按照软开关电路的调制方式，可将其划分为 pfm(频率调制)控制和 pwm(脉冲宽度 调制)控制。pfm 软开关变换器电路结构简单，但工作频率不恒定，给变压器、电感等 磁性元件的优化设计带来一定的难度。此类软开关变换器一般应用于负载、输入电压都 相对稳定的场合，谐振变换器(resonant converter，rcs)、准谐振变换器(quasi-resonant converters， qrcs)和多谐振变换器(multi-resonant converters， mrcs)属于 pfm 控制方式。 pwm 软开关变换器工作在恒频模式，能大大方便磁性元件的优化设计，是软开关变换 器中应用最广泛的控制方式。 零开关 pwm 变换器(zero switching pwm converter)、 零转 换 pwm 变换器(zero transition converters)属于 pwm 控制方式23。 (1) 谐振变换器。实际上是负载谐振型变换器，按负载与谐振电路的连接关系，谐 振变换器可分为两类：串联负载谐振变换器(series load resonant converters，slrcs)和 并联负载谐振变换器(parallel load resonant converters，plrcs)。谐振变换器中的谐振 西安科技大学硕士学位论文 2 元件在整个工作周期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。谐振变换器对负载的变 化很敏感。 (2) 准谐振变换器和多谐振变换器。准谐振变换器分为零电压开关准谐振和零电流 开关准谐振两类，是最早出现的软开关电路，其特点是在一个工作周期中，谐振元件参 与能量转换的某一个阶段，没有全部参与，因此称之为准谐振。如果准谐振变换器中有 两个以上的谐振元件，实现多个谐振频率的谐振，称为多谐振变换器，这种变换器可以 使电路中的开关管和二极管同时实现软开关，克服准谐振变换器的不足，但其缺点是由 于电路中的谐振拓扑多，使得电路元件参数设计变得很困难。 (3) 零开关 pwm 变换器。包括零电压开关 pwm 变换器(zvs-pwm)和零电流开关 pwm 变换器(zcs-pwm)。它是准谐振变换器和 pwm 变换器的综合，同时兼有两者的 特点。在准谐振变换器开关的基础上，增加一个辅助的功率开关管，来控制谐振元件的 谐振过程，实现恒定频率控制，即 pwm 控制。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的 谐振工作时间很短，一般只有开关周期的 1/10-1/5。其缺点是全部能量都要流过谐振电 感，这使得电路中存在很大的环流能量，增大整体电路的导通损耗。 (4) 零转换 pwm 变换器。包括零电压转换 pwm 变换器和零电流转换 pwm 变换 器。零转换 pwm 变换器工作在 pwm 方式下，克服了零开关 pwm 变换器的缺点，它 将辅助谐振电路从主功率通路中移开，变为与主功率开关器件并联，辅助谐振电路只是 在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其他时间则停止工作，这样 辅助谐振电路不需要处理很大的环流，减少了电路的导通损耗。 在直流开关变换器的软开关技术中，还有有源和无源箝位吸收软开关技术，箝位吸 收电路可以抑制开关器件的浪涌电压或电流，降低开关管的 di/dt 和 du/dt，大幅度减少 开关损耗，使电路中储存的能量被利用或反馈到电网，具有“软化”开关过程的作用， 所以有人称之为广义软开关变换器或箝位变换器。 软开关技术的应用给功率变换器的发展带来了深刻的变革，如提高了变换器的工作 频率，增加了功率密度，但现有的技术仍有许多问题要解决，如进一步提高功率密度、 扩大功率范围、发展控制技术、优化电磁兼容等。随着软开关技术逐渐被重视和利用， 更多更优的资源将用于这一技术的研究，这必将成为实现更高品质的功率变换器的可靠 保障。 在高输入电压、中大功率的应用场合，传统变换器拓扑的软开关技术对于进一步减 小功率损耗、提高变换器工作频率和效率存在限制。以功率开关管为例，如果能够降低 开关管关断时电压应力，其损耗便可大大降低，这样便可以在提高变换器效率和功率密 度的基础上，降低软开关电路的设计难度和成本。因此将软开关技术和其他技术(如降 低开关管的电压应力)相结合成为新的发展方向。 1 绪论 3 1.1.2 三电平直流变换器的提出 随着人们对电力电子技术的深入研究以及各行业对用电设备的必要需求，功率变换 装置的用电质量要求越来越严格，电源设备的环保性能成为重要指标。一些国际组织还 制定和颁布了限制电流谐波的相关标准，为了满足这些标准，得到更好的环保性能，功 率因数校正技术(power factor correction，pfc)得到了极大的发展，并得到广泛应用。 一般中大功率的高频开关电源为三相 380vac 输入，进行整流后直流母线电压将会达到 640v 左右；如果采用三相 pfc 技术，直流母线电压通常会达到 700-800v，甚至会高达 1000v。这就需要选择具有更高耐压的后级开关管，对开关管的技术和成本都是极大的 挑战。 为此， 1980 年， 日本的 akira nabae 等人提出了一种中点箝位(neutral point clamped， npc)4脉宽调制逆变器，如图 1.1 所示，其中 cd1和 cd2为两个电容量很大且相等的输 入分压电容。和传统逆变器相比，npc 逆变器每相增加了两个二极管，在 6 只主开关管 (q11、q21、q31、q14、q24、q34)的基础上新增了 6 只辅开关管(q12、q22、q32、q13、q23、 q33)，其中主开关管用于脉宽调制，辅开关管用于把 0 点电压箝在中点电位，即二分之 一的输入电压。通过控制开关管的导通和截止，可使每相输出+vin/2，0，-vin/2 三种电 平。npc 逆变器虽然增加了一些元器件，但有两大优点：每相输出由两种电平(+vin/2 和-vin/2)变成了三种电平，极大的降低了谐波含量，有利于滤波器电路的设计；每只 开关管的电压应力降低为输入电压的一半。这种降低开关管电压应力的方法很快就成为 研制高压变频器的思路之一57。 由于传统逆变器输出相电压只有两种电平，而 npc 逆变器输出相电压有三种电平， 所以这种逆变器也被称为三电平(three level，tl)逆变器。 vin cd1 cd2 q11 q12 q13 q14 d11 d12 q21 q22 q23 q24 d21 d22 q31 q32 q33 q34 d31 d32 uvw 0 图 1.1 npc 逆变器 三电平直流变换器的提出是建立在三电平逆变器的基础之上的。为了保证所有开关 管两端的电压被箝位在中点电位，1992 年 meynard t a 和 foch h 提出了飞跨电容箝位 西安科技大学硕士学位论文 4 型多电平逆变器，同时也提出了几种飞跨电容型、非隔离的多电平变换器，其中包括几 种飞跨电容型、非隔离的 tl 变换器8。同年，巴西的 jose renes pinheiro 和 ivo barbi 在 ieee 工业电子、 控制、 仪器和自动化(iecon)会议上提出了一种三电平直流变换器9， 如图 1.2 所示。 它最突出的特点是各开关管的电压应力是零电压开关 pwm 全桥变换器(zvs pwm fb converter)中开关管电压应力的一半，即只有输入电压的 1/2，这一优点使得三电平 直流变换器一经提出就得到了各国学者的重视；除此以外它还具有 zvs pwm fb converter 所有的优点：可以使用脉宽调制方式实现 zvs、开关频率恒定、开关损耗小 等等。由于该变换器中 q1、q2、q3、q4、d5、d6所组成的桥臂与 npc 逆变器中的桥臂 结构相同，因此文中称之为 tl 桥臂，并称该变换器为 zvs pwm tl 变换器。 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c2 c3 c4 dr1dr3 dr4dr2 t1 lr lf cfr 0 ld 图 1.2 zvs pwm tl 变换器 1.2 国内外研究动态和发展趋势 zvs pwm tl 变换器虽然具有很多优点，但是也存在不足之处，如： (1) 存在副边占空比丢失，且轻载时开关管(尤其是里面的两只开关管)实现 zvs 较 为困难。虽然增大谐振电感的方法可扩大开关管实现 zvs 的负载范围，但这样会带来 更大的占空比丢失； (2) 里面(或者外面)的一对开关管的结电容在参与谐振的时候，另外一对开关管的 结电容会同时参与谐振，给参数的优化设计带来了难度； (3) 整流二极管上的反向恢复效应以及谐振电感与整流二极管结电容发生谐振，造 成整流二极管上的电压尖峰。 为了解决上述第一个问题， 扩大开关管实现 zvs 的负载范围， 文献1016研究了 在电路中增加辅助网络的方法。以文献10为例，如图 1.3 所示为该文献中提出的电路， 通过一个辅助电感 la 和两个辅助电容 cal、ca2 来增强该变换器开关管实现 zvs 的能 力。 1 绪论 5 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c2 c3 c4 dr1dr3 dr4dr2 t1 lr lf cfr 0 ld la ca1 ca2 图 1.3 增加辅助网络的 zvs pwm tl 变换器 文献1718借鉴了飞跨电容箝位型三电平逆变器的经验，通过在电路中增加了飞 跨电容(flying capacitor)来实现内外开关管的独立谐振。以文献17为例，如图 1.4 所示， 加入了飞跨电容 css之后，内外开关管的谐振过程可以独立开来，外面两只开关管参与 谐振时，里面两只开关管上电压固定为 vin/2，同样，里面两只变换器参与谐振时，外 面两只开关管上电压固定为 vin/2，这样该变换器就可以像移相全桥变换器那样实现控 制， 同时开关管实现 zvs： 外面两只开关管主要依靠滤波电感的能量实现 zvs， 较容易； 里面两只开关管依靠谐振电感的能量实现 zvs，较困难。 dr1 dr2 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c2 c3 c4 lr lf cfr 0 ld t1 css 图 1.4 增加飞跨电容的 zvs tl 变换器 针对里面两只开关管较难实现 zvs，文献18提出一种新思路：让外面两只开关管 实现 zvs，里面两只开关管实现 zcs，即 zvzcs tl 变换器。为了使里面两只开关管 实现 zcs，需要实现原边电流的复位，该变换器增加了一些辅助电路。如图 1.5 所示。 文献19在总结上述文献成果的基础上， 系统地提出半桥 tl 变换器的一族 pwm 控 制策略，一共有 9 种，并从中寻找出可以实现软开关的控制策略。根据上面两只开关管 和下面两只开关管的关断情况，文中将这 9 种 pwm 控制方式分为两类，一类是两只开 西安科技大学硕士学位论文 6 关管同时关断，一类是两只开关管的关断时间相互错开，一只先关断，另一只后关断， 从而引入超前管和滞后管的概念，指出超前管只能实现 zvs，滞后管在不同的 0 状态工 作模式下可以实现 zvs 或 zcs，因此将软开关 pwm tl 变换器归纳为 zvs 和 zvzcs 两类，并分别指出适合它们的控制策略。 dr1 dr2 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c4 lr lf cfr 0 ld t1 css q5 d5 c5 图 1.5 zvzcs tl 变换器 在文献19的基础上，文献20提出了一种新型 zvzcs pwm tl 变换器，如图 1.6 所示。该变换器在 zvzcs tl 变换器的基础上增加一个阻断电容 cb和两个阻断二极管 d7、d8，阻断电容用来实现将原边电流在 0 状态时减小到零；但是原边电流在 0 状态时 受 cb上电压的作用会反向流动，破坏滞后管实现 zcs 关断的条件，因此加入了 d7和 d8来实现将原边电流保持为零，不会反向流动，为滞后管提供 zcs 条件。 dr1 dr2 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c4 lr lf cfr 0 ld t1 css cb d7 d8 图 1.6 一种新型 zvzcs pwm tl 变换器 在 zvs pwm tl 变换器的不足之处第三点提到，整流二极管自身的反向恢复效应 以及与谐振电感在开关过程中发生谐振，从而会造成整流二极管上的电压尖峰。为消除 1 绪论 7 该电压尖峰， 文献21提出了一种加箱位二极管的 zvs pwm tl 变换器， 如图 1.7 所示。 该变换器加入了两个箝位二极管 d7、d8，在整流二极管关断过程中，整流二极管上的 电压通过变压器反射回原边，由于箝位二极管的导通使原边电压箝位在一定值，从而消 除了副边的电压尖峰。 dr1 dr2 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c2 c3 c4 lr lf cfr 0 ld t1 css d7 d8 图 1.7 加钳位二极管的 zvs pwm tl 变换器 文献22指出，图 1.7 中的变换器在加入防止变压器磁饱和的隔直电容后，会导致 变压器原边电流或者谐振电感电流不对称，并对原变换器进行改进，将谐振电感和变换 器简单的互换位置，便可解决上述问题。 文献23提出了一种倍流整流 zvs pwm tl 变换器，如图 1.8 所示，超前管和滞后 管都是利用输出滤波电感的能量来实现 zvs，因此可以在很宽的负载范围内实现，且整 流二极管的自然换流避免了反向恢复造成的电压振荡和电压尖峰，同时可尽量减小谐振 电感和变压器漏感，在极大程度上减小了副边占空比丢失。不足之处是整流二极管上的 电压应力很大。 vin cd1 cd2 q1 q2 q3 q4 d1 d2 d3 d4 d5 d6 c1 c2 c3 c4 la lf cfr 0 ld css cb dr1dr2 lf1lf2 t1 图 1.8 倍流整流 zvs pwm tl 变换器 以上电路结构都是基于半桥三电平直流变换器所做的一些改进，其实针对其他基本 西安科技大学硕士学位论文 8 变换器(包括非隔离型和隔离型)，也有其对应的三电平直流变换器。 文献24基于 buck 变换器提出了一种 buck tl 变换器， 如图 1.9 所示。 在此基础上， 又提出了 buck 四电平变换器以及 buck 多电平变换器(multi-level converter，ml 变换 器)。此外，文中还提出了一种适合于 buck 四电平变换器的控制策略。但是，文献中没 有指出三电平的拓扑变换规律， 也没有讨论所提出的控制策略针对 buck tl 变换器是否 是最佳的控制策略。 文献25基于 boost 变换器提出了一种 boost tl 变换器，同时也给出了一种控制策 略，使得在电感电流脉动不变的情况下电感的设计值可大大减小。文献2628也讨论 了该变换器。但是，这些文献同样没有分析 boost tl 变换器的三电平拓扑变换实质，也 没有论证电感电流脉动的大小与控制策略之间的关系。 vin/2 vin/2 q1 q2 d1 d2 lf cfrld 图 1.9 buck tl 变换器 文献29提出了一种推挽 tl 逆变器，该逆变器可以降低开关管的电压应力，但是 不能在不加任何辅助网络的情况下实现开关管的软开关。文献30提出了混合多电平开 关变换器，其实质是两个全桥 tl 变换器相组合而成。文献31提到了全桥 tl 变换器的 部分结构，如 tl 桥臂，但是没有对拓扑变换和控制策略进行分析论证。 文献32和33总结了 tl 拓扑变换的思想，提出了两种基本 tl 单元：阳极单元和 阴极单元，将这两种 tl 单元放置到其它几种变换器中，得到了一系列的 tl 变换器。 随着对 tl 技术的深入研究，人们研究的范围也在逐渐扩大，tl 技术及其衍生出的 ml 技术已经推广到各种三相或单相整流器、两象限及双向变换器等，并应用于各个领 域34。 在高输入电压、中大功率的应用场合，要研制出高频、高效、高功率密度和小型轻 量化的开关变换器，将三电平拓扑与软开关技术相结合是目前广泛采取的方式，也是将 来值得深入研究的一个方向。目前三电平软开关变换器的研究主要分为两个方面：zvs 三电平变换器和 zvzcs 三电平变换器。其中 zvzcs 三电平变换器发展相对较晚，目 前研究的重心在于：在变换器工作在零状态时如何利用辅助电路使原边电流复位，从而 在宽负载范围内实现滞后管的零电流开关；zvs 三电平变换器发展更加成熟，面临的问 题也更加具体，主要包括：由于谐振电感(包括变压器漏感)的存在，副边占空比丢失 严重，该如何在实现滞后管 zvs 的基础上又能减小占空比丢失；整流二极管的反向 恢复效应以及谐振电感与整流二极管结电容发生谐振，造成整流二极管上的电压尖峰， 从而增大整流二极管的损耗甚至将其损坏。因此对于 zvs 三电平变换器的研究将主要 1 绪论 9 致力于解决以上两个问题，只有解决了以上两个问题，才能进一步减少变换器中的主要 耗能元件(开关管、变压器以及整流二极管)的损耗，提高变换器的效率和功率密度。 1.3 本课题研究意义 如上所述，三电平直流变换器最大的优点是可以降低开关管的电压应力，非常适合 于高输入电压、中大功率的应用场合。在所有的隔离式三电平变换器中，半桥三电平变 换器拓扑发展成熟且结构简单，是目前研究和应用较多的拓扑结构。但是目前 zvs 半 桥三电平变换器面临着占空比丢失、整流二极管上的电压尖峰、滞后管实现 zvs 较困 难等问题，这些问题的解决对于进一步提高变换器性能、拓宽其应用范围有重要的研究 意义。 高性能的三电平软开关直流变换器可广泛应用于35： (1) 通信电源，即将单相 220v 或三相 380v 的交流电变换为 48v 的直流电，可以 提高开关频率，减小体积和重量，降低成本； (2) 输入电压较高的场合，如船舶、城市轨道交通、高速电气铁路等，它们的供电 电压一般都很高，如城市轨道交通的电源电压通常为 750v 或 1500v 直流36，船舶的电 源电压有的采用 8501250v 直流37，这时可以采用半桥 tl 变换器； (3) 功率因数校正变换器，boost tl 变换器电压应力为输出电压的一半，因此可以 应用于三相 pfc 变换器中； (4) 低压大电流的应用场合，如电压调节模块(vrm)，利用其可以减小滤波器尺寸 的优点，降低损耗和成本。 1.4 本文的主要内容 三电平直流变换器能将开关管电压应力降低一半，软开关技术是电力电子装置向高 频化、高功率密度化发展的关键技术。本文将从三电平直流变换器的理论入手，在基本 理论的基础上，提出一种加箝位二极管且原边谐振电感采用饱和电感的半桥三电平直流 变换器， 详细介绍了该变换器的工作原理和参数设计。 同时用一台 220v/5a 的实验样机 验证了这种新颖的三电平拓扑的正确性和优越性，它大大减少了开关管上的损耗，有利 于提高开关频率和变换器的效率、减少变换器的体积和重量。 以下是论文内容的具体安排： 第一章为绪论，简要介绍了 tl 变换器的提出、发展以及本文的主要内容； 第二章分析了基本 zvs 半桥 tl 变换器的工作原理， 并通过仿真波形验证了理论分 析的合理性，同时也指出了其缺点； 第三章分析了加箝位二极管的 zvs 半桥 tl 变换器的工作原理， 针对副边占空比丢 失的问题采用了饱和电感替代谐振电感的方法，分析了采用饱和电感减小占空比丢失的 西安科技大学硕士学位论文 10 原理和选择依据，为下面的实验验证提供一定的理论基础； 第四章在第三章理论分析的基础上， 设计了一台 220v/5a 的实验样机， 给出变换器 主要元件参数的设计和选取、基于 uc3875 芯片为核心的控制电路的设计以及驱动隔离 电路的设计； 第五章给出了实验样机的测试结果并对其进行分析，得出实验结论，表明了理论分 析的可行性和电路设计的合理性。 最后本文对加箝位二极管且原边谐振电感采用饱和电感的半桥三电平直流变换器 的设计进行了总结，并对今后深入研究作了展望，并期待能更深入地探讨三电平直流变 换器所存在的问题，对高功率三电平直流变换器的发展有所贡献。 2 基本 zvs 半桥三电平直流变换器 11 2 基本 zvs 半桥三电平直流变换器 为了实现主开关管的零电压开关，需要选用可行的控制方式。zvs pwm 半桥三电 平直流变换器的控制方式有 3 种35：移相控制和两种不对称控制，它们的工作原理基本 相同，由于移相控制简单，无需额外的辅助开关就可以获得开关管的 zvs，因此被广泛 采用，本文如无其他说明，一律采用移