三相電壓型逆變器

1、一個新的全橋零電壓開關(guān)移相DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作周期和ZVS范圍擴大摘要：本文提出了完整的理論分析, 有LCC輔助電路的全橋零電壓移相開關(guān)（fb-zvs-ps）DC-DC轉(zhuǎn)換器的模擬和的優(yōu)化設(shè)計,在250kHz的頻率下工作，輸出功率1kW。該變換器采用電容分壓器在輔助電感一端創(chuàng)建一半的輸入電壓。因此在電感兩端的電壓會在VI / 2 到+ VI / 2之間擺動，并在被動-主動轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生一個額外的增強的初級電流，并增加適合產(chǎn)生ZVS的能量。用這種方法是可能在不使用換向電感的條件下在一系列電力變壓器中設(shè)計出fb-ps-zvs直流/直流變換器從而避免減少有效占空比的相關(guān)問題。更進一步，通過適當(dāng)?shù)?/p>

2、LCC的電路設(shè)計，我們發(fā)現(xiàn)在整體沒有明顯損害的前提下ZVS范圍和有效工作周期可以優(yōu)化。1.介紹：由于其優(yōu)越的特性，采用全橋零電壓開關(guān)移相器已成為首選的拓撲結(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換，用于幾百瓦的功率與高輸入電壓的應(yīng)用。fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點是由于零電壓開關(guān)和恒定頻率操作效率高，允許一個簡單的控制，類似于硬開關(guān)PWM全橋變換器。傳統(tǒng)的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器的主要缺點是對負載的依賴，當(dāng)負載過輕時ZVS的條件便會不滿足。因此，在一系列的電力變壓器中，幾乎每一個應(yīng)用程序為了使ZVS的負載范圍加寬都需要一個大的換向電感。這個大的電感，當(dāng)負載很大時不僅會產(chǎn)生高的不可接受的導(dǎo)通損耗，并且會防止初級電

3、流極慢的變化，這將會對有效占空比的降低負責(zé)。所以，必須要有一個折衷的設(shè)計，考慮到輸入電壓規(guī)格、負載范圍、工作周期和效率。為了解決這個問題，一些新的技術(shù)已經(jīng)開始被提出和開發(fā)。引用5定義的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器和采用飽和電抗器與初級繞組和次級整流二極管系列具有局限性。這個過程可以使運行下的零電壓開關(guān)范圍更大，沒有顯著的導(dǎo)通損耗增加，但始終存在消除多余能量時發(fā)生飽和的問題。參考 6 描述了一種方法，用一個主換向電感器與終端連接在一個轉(zhuǎn)換被動與主動的腿的中點，其他通過兩個鉗位二極管連接到輸入電壓源。通過這種方法，ZVS將會因為橋管獲得一個較寬的負載范圍。然而，為P-A腿提供正的連續(xù)電流鉗位二極管，會

4、遭受硬開關(guān)，因此將會帶來換向損失和召回緩沖。一種減少上述問題的方法是采用一二繞組電感箝位到輸出，如79所描述：初級繞組的電感與變壓器初級和次級系列是通過兩個整流二極管連接到輸出電容器。該方法可以使回收的多余能源直接流向負載。當(dāng)一個被動變?yōu)橹鲃拥霓D(zhuǎn)變過程發(fā)生時，其中的一個二極管導(dǎo)通和鉗制電感，其次是輸出電壓。這種行為相當(dāng)于一個具有可變自感系數(shù)的電感。然而，這種解決方案意味著更大、更重、更復(fù)雜和更高成本的轉(zhuǎn)換器。本文提出的新的解決方案，包括一個更簡單的解決方法可以使fb-zvsps轉(zhuǎn)換器問題減小，就是通過加一個連接到電源電路P-A腿的LCC輔助電路。這種輔助電路由一個電容分壓器和一個連接在電容分壓

5、器中點和P-A腿中點的電感器組成。這樣，初級電流將會在被動與主動過程轉(zhuǎn)換期間增強，從而增加了實現(xiàn)ZVS的可用能量。這個過程使的fb-zvsps轉(zhuǎn)換器的設(shè)計不使用在變壓器系列中的輔助電感器，減少占空比損失問題。本文的目的是提出建議轉(zhuǎn)換器的理論研究（圖1），使LCC電路的設(shè)計優(yōu)化，以獲得最佳效率。本研究可以找到一種效率最高的轉(zhuǎn)化器，可以獲得希望范圍的負載而不使ZVS松動。工作周期的增加也可以用這種方法得到，這也是一個特點。2.提出的轉(zhuǎn)換器： A.工作原理：所提出的轉(zhuǎn)換器如圖1. 該轉(zhuǎn)換器是一個傳統(tǒng)的fb-zvs-ps DC-DC變換器，為了提高ZVS的范圍而包括一個LCC電路，沒有工作周期的固有損

6、耗。轉(zhuǎn)換器的被動-主動轉(zhuǎn)換腿由由晶體管S2和S4組成，主動-被動轉(zhuǎn)換腿由晶體管S1和S3組成. 電容C1，C2，C3，C4和二極管D1，D2，D3，D4是各自的輸出電容和晶體管的管橋。TR表示N匝數(shù)比的變壓器，LF是濾波電感，輸出電容用CF表示。二極管Da和Db是變頻器的整流二極管。 圖1 fb-ps-zvs直流/直流LCC電路的功率變換器輔助LCC電路由電容分壓器（CPal，CPa2）和連接在電容分壓器中間點和P-A腿中間點的電感（LS）組成，如圖1所示。當(dāng)開關(guān)S2導(dǎo)通時，輔助電感Ls在其終端表現(xiàn)出一個VI / 2正電壓。另外，當(dāng)S4導(dǎo)通時，LS表現(xiàn)出一個等于VI / 2負電壓。將顯示出，這

7、一事實迫使電流為了平衡在輔助電感兩端的電壓，當(dāng)P-A相變時其達到最大值。這在被動-主動轉(zhuǎn)變過程中加強了初級電流，從而增加了可用的能量來實現(xiàn)ZVS。 B.轉(zhuǎn)換器分析： 在圖1的變換器有十種工作模式，在一段時期有初級電流IP。由于循環(huán)對稱只有當(dāng)前正橋?qū)⒃谙旅娴姆治鲋锌紤]。因此，研究僅限于五種不同的操作模式：模式I或叫主動模式，模式II或叫主動-被動振動轉(zhuǎn)變模式，模式III或叫被動模式，模式IV或叫被動-主動振動轉(zhuǎn)變模式，模式V或叫初級電流線性過渡模式。為了闡明的分析，考慮圖2中變量隨時間變化的波形。圖2 fb-ps-zvs直流/直流轉(zhuǎn)換器電路：LCC電氣量波形模式I（主動）- T0tT1：考慮一下

8、當(dāng)時間t = t0時二極管DB切斷，晶體管S1和S2導(dǎo)通，DA二極管正在整流。輸入電壓VI被施加到變壓器的初級線圈，初級電流將與電路中的總電感成比例的增加。這種模式的等效電路如圖3所示，LTRf 和LF分別是變壓器的泄露電感和濾波電感。在這一模式中的輔助電感的B終端連接到地面，因此LS的電壓是VI / 2。圖3等效電路在模式I在LS中的電流線性增加直到晶體管S2停止導(dǎo)電。輔助電路作為一個獨立的電路不影響初級電流?？紤]到轉(zhuǎn)換器的等效電路，初級電流和LS的電流是由下式給出： 其中I0和ILs0是電流IP和ILs在t=0時刻的初始值，Leq1=LTRf+n2LF模式II（主動-被動的振動變換）- T

9、1TT2這種模式電容C1、C3充電/放電的相應(yīng)時間持續(xù)很短。當(dāng)晶體管S1在時間t1關(guān)閉時，這種主動-被動振動轉(zhuǎn)換過程開始。晶體管S2仍然導(dǎo)通，初級電流流經(jīng)S2，C = C1 | | C3。二極管DA也開始導(dǎo)通。在分析中使用的轉(zhuǎn)換器的等效電路如圖4。 圖4 模式II等效電路在這一模式中，電容C兩端的電壓將會在VI和0之間振蕩，初級電流由下式給出： Ir和r下式給出： 在t1時刻，I1是初級電流的初始條件。一旦管S2仍存在，在LS中的電流將會如例2中給出那樣。這種模式將會在電容器電壓達到零時結(jié)束，ZVS中的二極管D3在T = T2時刻開始導(dǎo)通。模式III型（被動）T2tT3充電后的電容器C = C

10、1 | | C3，二極管D3開啟導(dǎo)通，開始階段輸出電流的反映是隨機的。Vab的電壓為0。整流二極管DA保持導(dǎo)通狀態(tài)。該電路進入被動模式持續(xù)到S2的門脈沖在時間t = T3移除?？紤]到這種模式的等效電路呈現(xiàn)在圖5，初級電流是由下式給出的：I2是初級電流的初始值。 圖5 模式III的等效電路電力變壓器的次級電壓在模式III中用下式給出：因為S2一直閉合，在LS中的電流繼續(xù)增加，仍然是由（2）式給出。模式四（被動-主動振動轉(zhuǎn)變過程）T3 TT4在時間T3時，晶體管S2的柵極信號去除，模式四開始。二極管D3保持導(dǎo)通，初級電流流經(jīng)C2 | | C4。在這種模式下，和模式II所發(fā)生的恰好相反，兩個整流二極

11、管Da和Db都是導(dǎo)通的。因此，在電路中不存在輸出濾波電感，并且對電容C2、C4充電/放電沒有貢獻。因為這個原因，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器中ZVS的條件對于輕負載來說是非常難獲得的。然而，在這種情況下，對LCC的輔助電路的使用將提供額外的能量（在模式I、II和III時，存儲在LS中），將被用來實現(xiàn)ZVS。 圖6 模式IV的等效電路考慮圖6中提出的等效電路，可以看出，當(dāng)晶體管S2切斷，在LS中的電流（在這里代表一個電流源）將被添加到初級電流，為了電容C2、C4的充電/放電。在這一模式電容C兩端的電壓會產(chǎn)生從零到六的振蕩，初級電流由下式給出：其中，i3和ils3在輔助電感中分別為初級電流和電流的初始值。由于模

12、式IV持續(xù)時間短，在LS的電流將約為常數(shù)，其值等于當(dāng)S2的門脈沖移除時的ILS3的值。時間t4時刻，電容器電壓達到VI，這種模式將結(jié)束。模式V（線性過渡）T4 T T5二極管D4在時間T4導(dǎo)通。模式V的基本特征是初級電流的極性反向。當(dāng)初級電流達到零，晶體管S2和S4開始導(dǎo)通，直到整流二極管DA切斷。考慮圖7所示的等效電路，初級電流是由下式給出的：圖7 模式V的等效電路電感LS的B終端（圖7）現(xiàn)在連接到Vi，在輔助電感的電壓為VI / 2。LS的電流就會減少并且由下式給出：對應(yīng)于模式V的持續(xù)時間的間隔（t5-t4）代表一個損失的工作周期。因此，在極性改變時，理想的初級電流的斜率將盡可能高，以減少

13、此時間間隔。和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器所發(fā)生的相反，在建議的轉(zhuǎn)換器中的電流僅僅是由電源變壓器的泄漏電感限制的。因此，對工作周期的損失僅依賴于變壓器的結(jié)構(gòu)性缺陷。雖然，重要的是要注意到，為了支持電流有輕微的增加，P-A腿的晶體管大小要合適。在這些晶體管中的電流是初級電流與LS中電流的和。然而，進一步看到，LS優(yōu)化設(shè)計會導(dǎo)致晶體管電流少量增加。3能量平衡：本研究的目標(biāo)之一是獲得ZVS特性在LCC的電路參數(shù)的作用，為了建立正確的電感，導(dǎo)致較高的效率。通過必要的電容器充電的能量評價得到的ZVS條件, WC和儲存在輔助電感WL中的能量：I0是平均輸出電流，T是運行周期。ZVS條件考慮到WL > WC時的計算。

14、同時考慮到（11）和（12）和使用的ZVS條件：圖8給出了LS值不同時，換向能量WL與負載電流的變化。它也提出了獲得ZVS的必要能量（Wc= 125J）。由此可以看出， WL曲線與WC的交叉點表示了ZVS的邊界條件（13）。檢查圖8也表明，對于LS140H，所有負載范圍都可以獲得零電壓切換。輸出電流A圖8 在整流能量WL與負載電流與LS作為一個參數(shù)的變化4.仿真結(jié)果為了驗證理論分析，所提出的變換器利用Pspice ICAPs 4進行了模擬。下面的電路參數(shù)已被用于模擬：VI = 380V，F(xiàn) = 250KHz，VO = 50V，LS = 140H。圖9顯示初級電流、電壓和二次電壓。圖9：該變換器

15、的仿真結(jié)果：（1）變壓器二次電壓（伏/格）；（2）變壓器初級電壓（伏/格）；（3）一次電流（2A / DIV）圖10：顯示初級電流圖，在開關(guān)S2的電流，LS的電流。它可以看出晶體管電流峰值僅僅是由于輔助電路而少量增加（小于10%）。圖10：該變換器的仿真結(jié)果：（1）一次電流（2A / DIV）；（2）在開關(guān)S2 B電流（2A / DIV）；（3）目前在LS（2A / DIV）。為了強調(diào)此轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點，圖11顯示用這種解決方法獲得的模擬初級電流和電感LS的電流，模擬的初級電流在一個傳統(tǒng)的fb-zvs-ps轉(zhuǎn)換器得到的（兩線）。為了實現(xiàn)ZVS與傳統(tǒng)的fb-zvs-ps具有相同的負載，由于串聯(lián)整流電

16、感，初級電流的斜率較小，因此，工作周期損失增加。一個換向電感器在13H在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器140H輔助電感變壓器系列圖11中給出的結(jié)果。對于這些參數(shù)，常規(guī)轉(zhuǎn)換器損失工作周期大約是兩倍，40%的額定負載電流，即ZVS獲得時的最小負載電流。在所提出的轉(zhuǎn)換器中，所有負載范圍內(nèi)都可以獲得ZVS。圖11：該變換器：（1）模擬的初級電流（5A / DIV）；（2）LS中的電流（1A / DIV）；（3）變壓器二次電壓（220Vdiv）。5。實驗結(jié)果為了驗證電路的可行性，初步的實驗結(jié)果在實驗室樣機得到的。VI = 100V，F(xiàn) = 250KHz，VO = 24V和LS = 1mH。圖12：建議轉(zhuǎn)換器的實驗

17、結(jié)果：（4）初級電流IP（2A / DIV）；（3）初級電壓Vab（50V / DIV）；（1）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。圖13：建議轉(zhuǎn)換器的實驗結(jié)果：（1）在輔助電感電流，離子液體（0,1a / DIV）；（2）電壓在LS，VLS（50V / DIV）。圖14：建議轉(zhuǎn)換器的實驗結(jié)果：（3）變壓器初級電壓，VAB（50V / DIV）；（4）變壓器二次電壓VS，（50V / DIV）；（1），（2）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。圖15顯示了變壓器的初級和次級電壓的細節(jié)。這兩個電壓進行比較來驗證對工作周期的損失是可以忽略的（ 100ns）圖15：建議轉(zhuǎn)換器的實

18、驗結(jié)果：（3）變壓器初級電壓，VAB（50V / DIV）；（4）變壓器二次電壓VS，（50V / DIV）；（1），（2）在晶體管（S2和S3電壓50V / DIV）。6結(jié)論：理論分析，LCC的輔助電路下的全橋零電壓開關(guān)移相(FBZVS- PS) DC-DC變換器的仿真與優(yōu)化設(shè)計進行了評價。由于運用了輔助電路，轉(zhuǎn)換器的性能和有效工作周期在所關(guān)注的ZVS范圍內(nèi)有所改進。唯一被驗證的缺點是在P-A腿的開關(guān)中峰值電流有一點增加。初步的實驗結(jié)果證實了所提出的理論進行了分析。7致謝：本文已被PRAXIS XXI /98/P/EEI/12026/1998的項目支持：高頻軟開關(guān)變換器。8參考文獻： 1 r.雷德爾，N.索卡爾，L.格洛一種新的軟開關(guān)全橋DC/DC 轉(zhuǎn)換器分析，設(shè)計考慮，并在1.5千瓦，100kkz的實驗結(jié)果出版PESC 90，162-172頁。 2 D.西博，F(xiàn).李全橋零電壓開關(guān)PWM變換器的運行，出版VPEC 89，92-97頁。 3 J.賽博特等。高電壓，高功率，ZVS，全橋PWM變換器采用有源開關(guān)，出版APEC91，92-97頁。 4 J.賽博特等。高電壓，高功率的設(shè)計考慮，全橋零電壓開關(guān)PWM變換器，出版APEC92，73-80頁。 5 G.華，F(xiàn).李，約萬諾維奇，一種改進的零電壓開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器采用飽和電抗器IEEE電力電子學(xué)，卷8，n