推挽正激三电平直流变换器及其控制策略

  其体二极管 Ds1~Ds4 和结电容 CS1~CS4)、箝位二极 分压电容 C1(C2))组成； clp 为箝位电容； C 管 D5(D6)、 Lr1 和 Lr2 分别是串联在变压器上的 2 个谐振电感， 可利用变压器的漏感来构成；D1~D4 为输出整流二 极管；Lf1、Lf2 为输出滤波电感；Cf1、Cf2 为输出滤 波电容；RL 为负载；n=2Ns/Np，Np 为变压器原边一 个绕组的匝数，Ns 为变压器副边一个绕组的匝数。 电路工作在三电平模式时，开关管 S2 和 S4 分 别以 0.5 占空比相差 180°互补导通(实际中间加死 区)，且各自先于 S1 和 S3 开通，S1 和 S3 的开关占 空比在 0~0.5 之间脉宽调制工作，稳定输出电压。 u 图 1(b)中：g1~ug4 分别为开关管 S1~S4 的驱动信号； u uds1~uds4 分别为 S1~S4 的漏源电压信号； AB 为变压 器原边电压；uCD 为副边整流电压；iLf 为滤波电感 电流；iT1 为变压器原边电流；uD5、uD6、uD1 和 uD2 分别为 D5、D6、D1、D2 两端电压。 分析之前，做出如下假设：1）所有开关管、 二极管均为理想器件；2）所有电感、电容和变压 器均为理想元件；3）C1=C2=Cin，且在稳态工作时 其各自电压为 Uin/2；4）输出滤波电容 Cf 足够大， 电容电压恒定为输出电压 Uo；5）箝位电容 Cclp 足 够大，可认为是一恒压源，其电压为 Uin；6）4 个 结电容大小相等，CS1=CS2=CS3=CS4=CS，2 个滤波 2 电感大小相等， f1=Lf2=Lf， 个谐振电感大小相等， L Lr1=Lr2=Lr。 在一个开关周期中，有 18 种开关模态，其中 前半个周期的 9 种开关模态分别如图 2 所示，各开 关模态的工作情况描述如下： 1）开关模态 0([t0, t1])，如图 2(a)所示。 在 t0 时刻之前，S2 已导通。t0 时刻之后，变压 器原边电流达到输出滤波电感电流折算到原边的电 流值， 整流二极管 D1 、 4 关断， 2 、 3 继续导通。 D D D 此时 C2 和 Cclp 通过回路 C2-D5-S2-Lr1-Np1-C2 以及回路 Cclp-Lr2-Np2-C1-D5-Cclp 向负载提供能量。变压器副边 电压 uCD=nUin/2 ， 2 个输出滤波电感承受电压为 uLf=nUin/2−Uo，滤波电感电流 iLf 线性下降。 nU in / 2 − U o iLf (t ) = I Lf (t0 ) (1) (t − t0 ) 2 Lf

  基金项目：航空科技支撑基金项目(05C52006)；江苏省高校科研成 果推进项目(JHB06-02)。

  世界经济迅速增长，因此对能源的需求大幅度 提高。化石能源的日益枯竭及其他对人类生存环境 的污染等问题的日益严重，激发了人们对新型洁净 能源的渴望。氢能作为一种洁净能源得到关注，燃 料电池是氢能应用的一个实例，在分布式发电系 统、燃料电池汽车、航空航天等领域得到了广泛的 应用[1]。 燃料电池输出电压较低且变化范围很宽。虽然 能够最终靠串联燃料电池单体来增加输出电压，但受 输出功率、结构和成本等多方面因素的制约，燃 料电池输出电压一般设计得较低；此外，燃料电池 满载时的输出电压可降至空载时的一半；同时燃料 电池的输出电流不能有很大的低频脉动，否则会使 燃料电池工作效率降低、寿命减少[2]。 一定要通过 DC/DC 变换器将燃料电池输出电压 变换成稳定的电压输出。在低电压宽范围输入的变 换器中，变压器一定要按照要求的输入电压下限进行 设计，这样必然导致在要求的输入电压上限，变压 器副边的整流二极管上将承受很高的电压，再加上 二极管反向恢复期间由于变压器漏感与整流二极 管结电容谐振产生的电压尖峰，二极管上的电压应 力很大，选取十分艰难，且可靠性不高。鉴于此考 虑用三电平来解决这一个问题。 Pinheiro 于 1992 年提出了零电压开关脉宽调制 三电平变换器[3]。该变换器的优点是其开关管的 电压应力为输入电压的一半，因此此类变换器被广 泛应用于高输入电压的应用场合，同时由于此类变 换器的输出滤波器大大减小，可以提高变换器的动 态响应速度，因此也被大范围的应用于电压调整模块之 类的低压大电流应用场合[4-5]。

  图 1(a)为所提出的推挽正激三电平直直变换器 电路图，图 1(b)为其主要工作波形。图 1(a)中：2 个三电平支路分别由 2 个开关管 S1(S3), S2(S4)(包括

  如果采用常规的三电平控制策略，在变压器副 边整流后的电压波形往往先出现高电平然后出现 低电平，整流二极管反向恢复期间的电压尖峰叠加 在高电平上[6-9]， 依然无法降低整流二极管上的电压 应力。本文提出一种新的三电平拓扑和三电平控制 策略，不但可以减小变换器输出滤波电感和滤波电 容的体积，还能够降低副边整流二极管上的电压 应力。本文对此变换器的工作原理、控制策略、输 出滤波电感的设计、部分开关管的软开关条件、整 流二极管的电压应力等进行了理论分析，通过实验 结果对理论分析进行了验证。