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煎怀
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1 三电平直流变换器及其软开关技术阮新波著北京

2 内容简介三电平直流变换器具有开关管电压应力低滤波器小等特点, 适用于输入和 / 或输出电压较高的中大功率变换场合, 对该变换器及其软开关技术的研究具有重要意义本书共十九章, 第 1 章系统阐述三电平变换器的发展分类和应用, 第 2 章至第 5 章详细论述三电平直流变换器的推导过程非隔离的三电平直流变换器的工作原理及其分压电容和飞跨电容电压的控制策略, 第 6 章分析多谐振三电平直流变换器的推导及其工作原理, 第 7 章至第 12 章系统阐述半桥三电平直流变换器的软开关技术, 第 13 章至第 17 章系统介绍复合全桥三电平直流变换器的软开关技术, 第 18 章介绍全桥三电平直流变换器的软开关技术, 第 19 章阐述组合三电平直流变换器的软开关技术最后是结束语, 对本书的内容进行总结本书是一本关于三电平变换器及其软开关技术的专著, 具有理论知识与工程设计相结合的特点, 可作为高校电力电子专业及相关专业的硕士生博士生及教师的参考书, 也可作为从事开关电源研究开发的工程技术人员参考使用图书在版编目 (CIP) 数据三电平直流变换器及其软开关技术 / 阮新波著. 北京 : 科学出版社,2006 ISBN Ⅰ. 三 Ⅱ. 阮 Ⅲ.1 直流变换器 2 直流变换器开关电源 Ⅳ.TN624 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2006) 第号责任编辑 : 刘红梅崔炳哲 / 责任制作 : 魏谨责任印制 : 刘士平 / 封面设计 : 李祥北京东方科龙图文有限公司制作 http :/ / m.cn 北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : 出版 http :/ / 中国科学院印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销 2006 年 12 月第一版开本 : / 年 12 月第一次印刷印张 :20 1/4 印数 : 字数 : 定价 : 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙科印枛 )

3 前言三电平逆变器具有开关管电压应力低输出电压谐波小等优点, 自 1980 年由 A.Nabae 等人提出后, 吸引了众多学者的研究兴趣, 先后提出了二极管箝位型飞跨电容型和级联型三电平逆变器和多电平逆变器, 并广泛应用于交直流能量转换高压大容量交流电机变频调速电能质量控制等领域将三电平和多电平逆变器的概念应用于直流变换器, 可以得到三电平和多电平直流变换器, 同样具有降低开关管电压应力减小输入输出滤波器等优点, 适用于高输入 / 输出电压的功率变换场合因此研究三电平变换器及其软开关技术具有十分重要的意义 1999 年, 我在刚成立的台达电力电子研发中心短期工作, 开始研究三电平 ( Three Level,TL) 直流变换器, 回到南京航空航天大学后, 继续开展 TL 变换器的研究, 并很幸运地得到了台达电力电子科教发展基金的资助经过一年多的研究, 我发现前面研究的 TL 变换器本质上是一个半桥变换器, 并分析了该变换器的推导思路, 然后将该推导思路推广到所有直流变换器中, 系统地提出了一族 TL 变换器同样幸运的是, 我们研究小组又先后得到了国家自然科学基金台达电力电子科教发展基金江苏省自然科学基金和雅达电子有限公司的资助我们的研究受到了很多同行的关注, 他们鼓励我将研究成果整理成书在去年国家自然科学基金项目结题后, 我开始本书的整理工作, 直到今年五月才完成可以说, 本书是我们研究小组近七年研究成果的总结, 今天奉献给大家, 我们的心情是忐忑不安的, 希望没有让大家失望恳请电力电子与电源界的各位前辈和同行批评指正, 提出宝贵意见和建议本书共十九章第 1 章系统阐述 TL 变换器的发展分类和应用 ; 第 2 章在分析半桥 TL 变换器推导思路的基础上提出一族 TL 变换器, 并对 6 种非隔离的 TL 变换器进行改进, 对正激 TL 变换器进行简化 ; 第 3 章详细分析 6 种非隔离 TL 变换器的工作原理, 推导其输入输出关系, 并与其原型电路进行比较 ; 第 4 章引入隔直电容的概念, 对 6 种非隔离的 TL 变换器进行改进, 使其输入与输出共地, 并以 Buck T L 变换器为例分析它们的工作原理及特点 ; 第 5 章针对非隔离的 TL 变换器提出其分压电容的均压控制方法和飞跨电容电压的控制方法 ; 第 6 章将多谐振变换器的概念引入到非隔离 TL 变换器正激 TL 变换器和反激 TL 变换器中, 提出一族零电压开关 (Zero Voltage Switching,ZVS) 多谐振 TL 变换器, 以 Buck ZVS 多谐振 TL 变换器为例分析它的工作原理和特性, 并与两电平 Buck 多谐振变换器进行比较, 以说明 ZVS 多谐振 TL 变换器的优点 ; 第 7 章至第 12 章系统地阐述半桥 TL 变换器的 PWM(Pulse Width Modulation, 脉宽调制 ) 软开关技术, 将该变换器分为零电压开关和零电压 / 零电流开关 (Zero Voltage and Zero Current Switching,ZVZCS) 两类,

4 前言详细分析 ZVS PWM 半桥 TL 变换器 ZVZCS PWM 半桥 TL 变换器加箝位二极管的 ZVS PWM 半桥 TL 变换器和倍流整流方式 ZVS PWM 半桥 TL 变换器的工作原理特点和参数设计 ; 第 13 章至第 17 章系统地阐述复合式全桥 ( Hybrid Full Bridge,H FB) TL 变换器的软开关技术, 详细分析 ZVS PWM H FB T L 变换器 ZVZCS PW M H FB T L 变换器加箝位二极管的 ZVS PWM H FB TL 变换器倍流整流方式 ZVS PWM H FB T L 变换器及 ZVS H FB TL LLC 变换器的工作原理特点和参数设计 ; 第 18 章提出全桥 TL 变换器的最佳控制方式, 分析续流二极管和飞跨电容的作用, 并提出其软开关技术 ; 第 19 章提出组合式 TL 变换器, 详细分析其工作原理特点和参数设计最后的结束语对本书进行小结, 并按照 TL 变换器的分类介绍它们的适用场合在 TL 变换器的研究过程中, 我的很多学生先后参与了研究工作, 他们是李斌许大宇梁小国薛雅丽金科危建陈志英刘福鑫张之梁陈武马运东张元媛冯颖盈陈乾宏王建冈周林泉李金钟李冬曲小慧他们努力勤奋, 付出了大量劳动和心血, 为该课题的研究作出了重要贡献我们一起承受研究中的艰难分享成功的快乐, 可以说, 这本书是我们的心血之作在本书的写作过程中, 金科刘福鑫曲小慧李冬等同学校阅了全部书稿在此对他们表示衷心感谢在研究前期, 严仰光教授提出了很多建设性的指导意见, 并给予了极大的支持和鼓励, 在此向严仰光教授表示诚挚的谢意本项研究工作得到国家自然科学基金台达电力电子科教发展基金江苏省自然科学基金和雅达电子有限公司的资助, 在此也表示衷心的感谢南京航空航天大学的严仰光教授和丁道宏教授认真细致地审阅了全部书稿, 提出了许多宝贵意见和建议两位老前辈严谨求实的作风令我肃然起敬, 这种学者风范也是我所终生追求的在此, 向两位老前辈表示崇高的敬意和衷心的感谢本书的出版得到了科学出版社的大力支持, 崔炳哲编辑为本书的出版做了大量工作, 特此致谢! 阮新波 2006 年 5 月于南京航空航天大学 ⅱ

5 目录第 1 章概述三电平逆变器的发展概况二极管箝位型三电平逆变器飞跨电容箝位型三电平逆变器级联型多电平逆变器混合箝位型三电平逆变器三电平直流变换器的发展概况非隔离型 TL 变换器隔离型 TL 变换器半桥 TL 变换器三电平直流变换器的应用通信电源功率因数校正变换器高电压应用场合低压大电流应用场合 21 本章小结 21 第 2 章三电平直流变换器的推导和简化半桥 TL 变换器的推导三电平开关单元 TL 变换器的推导 TL 变换器的推导过程一族 TL 变换器 TL 变换器的改进和简化非隔离 TL 变换器的改进正激 TL 变换器的简化复合式全桥 TL 变换器三电平波形存在的可能性 33 本章小结 33 第 3 章非隔离三电平直流变换器 Buck 三电平变换器 35

6 目录电路拓扑和控制方法电感电流连续时 Buck TL 变换器的工作原理和基本关系电感电流断续时 Buck TL 变换器的工作原理和基本关系 Buck T L 变换器的外特性 Buck T L 变换器的优点 Boost 三电平变换器电路拓扑和控制方法电感电流连续时 Boost TL 变换器的工作原理和基本关系电感电流断续时 Boost TL 变换器的工作原理和基本关系 Boost T L 变换器的控制特性 Boost T L 变换器的优点 Buck Boost 三电平变换器电路拓扑和控制方法电感电流连续时 Buck Boost TL 变换器的工作原理和基本关系电感电流断续时 Buck Boost TL 变换器的工作原理和基本关系 Buck Boost TL 变换器的控制特性 Buck Boost TL 变换器的优点 Cuk 三电平变换器电路拓扑和控制方法电流连续时 Cu k T L 变换器的工作原理和基本关系电流断续时 Cu k T L 变换器的工作原理和基本关系 Cuk T L 变换器的外特性 Cuk T L 变换器的优点 Sepic 三电平变换器电路拓扑和控制方法电流连续时 Sepic T L 变换器的工作原理和基本关系 Sepic TL 变换器的特点 Zeta 三电平变换器电路拓扑和控制方法电流连续时 Zeta TL 变换器的工作原理和基本关系 Zeta TL 变换器的特点 70 本章小结 71 第 4 章输入输出共地的三电平变换器引言隔直电容的提出非隔离 TL 变换器的改进 Buck T L 变换器的改进 Boost T L 变换器的改进 Buck Boost TL 变换器的改进 76 ⅳ

7 目录 Cuk T L 变换器的改进 Sepic TL 变换器的改进 Zeta TL 变换器的改进输入输出共地的 Buck TL 变换器工作原理输入输出关系特点 80 本章小结 80 第 5 章非隔离三电平变换器中分压电容的均压策略引言分压电容不均压的原因分压电容均压的方法 Buck T L 变换器其他非隔离 TL 变换器输入输出共地的非隔离 TL 变换器的飞跨电容电压控制实验验证 87 本章小结 88 第 6 章零电压开关多谐振三电平变换器引言一族 ZVS MR TLCs 的推导 ZVS MR TLCs 的工作原理 Buck ZVS MR TLC 的特性 Buck ZVS MR TLC 与 Buck ZVS MRC 的比较电压传输比和开关管电压应力输出滤波器 PFM 交错控制电路的实现飞跨电容电压控制策略 Buck ZVS MR TLC 的设计和实验结果 105 本章小结 107 第 7 章软开关 PWM 半桥 TL 变换器引言 PWM 半桥 TL 变换器的控制策略 PWM 控制方式的分类超前管和滞后管的软开关实现超前管的软开关实现滞后管的软开关实现软开关 PWM 半桥 TL 变换器的分类 116 ⅴ

8 目录 7.5 ZVS PWM 半桥 TL 变换器的控制方式滞后管的控制方式超前管的控制方式 ZVS PWM 半桥 TL 变换器的控制方式 ZVZCS PWM 半桥 TL 变换器及其控制方式电流复位方式超前管的控制方式滞后管的控制方式 ZVZCS PWM 半桥 TL 变换器的控制方式反向通路的阻断 120 本章小结 122 第 8 章零电压开关 PWM 半桥三电平变换器引言工作原理 ZVS PWM 半桥 TL 变换器的特点实现 ZVS 的条件超前管实现 ZVS 滞后管实现 ZVS 占空比丢失设计实例变压器匝比的选择谐振电感量的选择开关管实现 ZVS 的负载范围实验结果与分析 129 本章小结 131 第 9 章零电压零电流开关 PWM 半桥三电平变换器引言工作原理参数设计阻断电容的峰值电压实现超前管 ZVS 的条件最大有效占空比 Deff max 实现滞后管 ZCS 的条件滞后管的电压应力阻断电容的选择设计实例变压器匝比的选择阻断电容的计算 139 ⅵ

9 目录核算变压器匝比和阻断电容选择是否合理滞后管实现 ZCS 的负载范围超前管实现 ZVS 的负载范围实验结果与分析 141 本章小结 143 第 10 章加箝位二极管的 ZVS PWM 半桥三电平变换器引言工作原理实现 ZVS 和副边占空比丢失超前管 ZVS 的实现滞后管 ZVS 的实现副边占空比的丢失简化型加箝位二极管 ZVS PWM 半桥 TL 变换器设计实例实验结果与讨论 155 本章小结 157 第 11 章改进型加箝位二极管的 ZVS PWM 半桥三电平变换器引言工作原理 Tr lead 型和 Tr lag 型变换器的比较 ZVS 的实现箝位二极管的电流应力零状态时的导通损耗占空比丢失简化的改进型 ZVS PWM 半桥 TL 变换器隔直电容的影响实验结果和分析 169 本章小结 172 第 12 章倍流整流方式 ZVS PWM 半桥三电平变换器引言工作原理超前管和滞后管实现 ZVS 参数设计变压器变比 K 的确定滤波电感量阻断电容的选择实验结果 182 ⅶ

10 目录本章小结 185 第 13 章零电压开关 PWM 复合式全桥三电平变换器引言控制策略 ZVS H FB TL 变换器的工作原理 L 模式 L 模式 ZVS H FB TL 变换器的特点开关管的电压应力开关管实现 ZVS 的条件占空比丢失电压传输比输出滤波电感输出整流管耐压输入滤波器设计实例变压器匝比的选择谐振电感量的选择开关管实现 ZVS 的负载范围实验结果 200 本章小结 203 第 14 章零电压零电流开关 PWM 复合式全桥三电平变换器引言工作原理 L 模式 L 模式 ZVZCS PWM H FB T L 变换器的特点三电平桥臂的 ZVS 两电平桥臂的 ZCS 输出滤波电感实验结果其他几种 ZVZCS H FB TL 变换器 217 本章小结 218 第 15 章加箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平变换器引言工作原理 L 模式 220 ⅷ

11 目录 L 模式加箝位二极管 ZVS PWM H FB T L 变换器的特点谐振电感和变压器是否可以交换位置实验结果 229 本章小结 232 第 16 章倍流整流方式的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器引言工作原理 L 模式 L 模式开关管实现 ZVS 的情况 L 模式 L 模式参数设计变压器匝比 K 和 T ze ro 的选择输出滤波电感的选择阻断电容的选择纹波电流的比较滤波电感电流纹波比较输出电流纹波比较实验结果 246 本章小结 250 第 17 章复合式全桥三电平 LLC 谐振变换器引言工作原理 L 模式 L 模式 H FB TL LLC 变换器的特性电压传输比输出滤波器和输入电流纹波的比较开关管实现 ZVS 的条件参数设计谐振网络特征频率的选取变压器原副边匝比的选取谐振电容 Cr 的计算谐振电感 Lr 的计算励磁电感 Lm 的计算 265 ⅸ

12 目录 17.5 实验结果 265 本章小结 267 第 18 章软开关全桥三电平直流变换器引言全桥 TL 变换器的最佳控制方式基于 A B 两点电压波形相同的控制方式最佳控制方式右桥臂中续流二极管和飞跨电容的作用关断差异开通差异软开关全桥三电平变换器 278 本章小结 279 第 19 章零电压开关组合式三电平直流变换器引言组合式三电平直流变换器的推导工作原理变换器的特点开关管的电压应力与电流应力实现 ZVS 的条件占空比丢失输入输出电压关系输出滤波电感和两个变压器的变比输出整流管电压应力参数设计与实例计算 K1 K2 Lf Leq 和 Lr 实现 ZVS 的负载范围实验结果 296 本章小结 300 结束语 301 附录 CDR ZVS PWM 半桥 TL 变换器工作在 DCM 时 ILf min DCM ILf max DC M 和 IG 的推导 303 参考文献 307 ⅹ

第 1 章概述 1.1 三电平逆变器的发展概况 1.1.1 二极管箝位型三电平逆变器电力电子变换器广泛应用于电能变换电力拖动等领域图 1.

13 第 1 章概述 1.1 三电平逆变器的发展概况二极管箝位型三电平逆变器电力电子变换器广泛应用于电能变换电力拖动等领域图 1.1 所示为一个常用的三相逆变器, 其中 O 点是输入电压的中点以 O 点为参考点, 当某相的上管导通下管截止时, 其输出为 + V in /2, 定义为 +1/2 电平 ; 当上管截止下管导通时, 其输出为 - V in /2, 定义为 -1/2 电平也就是说, 每相可以得到 +1/2 和 -1/2 两个电平该逆变器称为两电平逆变器 1980 年, 日本的 Akira Nabae 等人在 IEEE 工业应用年会 ( IAS) 上提出了中点箝位 ( Neutral Point Clamped, NPC) 逆变图 1.1 三相逆变器器的概念, 该论文 1981 年发表在 IEEE 工 [1] 业应用期刊上 NPC 逆变器如图 1.2 所示, 其中 Cd 1 和 Cd 2 为输入分压电容对比图 1.1 所示的三相逆变器, 它在每相逆变桥中增加了两只功率管和两只二极管以 A 相为例,Q 11 和 Q1 4 是主开关管,Q 12 和 Q1 3 是增加的辅助开关管,D15 和 D16 是增加的辅助二极管当 Q 11 和 Q 12 导通 Q 13 和 Q 14 截止时, A 相得到 +1/2 电平 ; 当 Q 11 和 Q1 2 截止 Q 1 3 图 1.2 三相中点箝位逆变器

14 第 1 章概述和 Q 14 导通时,A 相得到 -1/2 电平 ; 当 Q 12 和 Q 13 导通 Q1 1 和 Q1 4 截止时,A 相得到零电压, 定义为零电平由于该逆变器的每相电压可以被增加的开关管和二极管箝在中点 ( O 点 ) 电压, 因此称之为中点箝位逆变器 NPC 逆变器的每相可以得到 + 1/2-1/2 和 0 三个电平, 因此又称它为三电平 (Three Level,TL) 逆变器为了与后来发展出来的其他 TL 逆变器相区别, 该逆变器又称为二极管箝位型 TL 逆变器二极管箝位型 TL 逆变器的优点可以概括如下 : (1) 每相输出电压可以得到 + 1/2-1/2 和 0 三个电平, 与两电平逆变器相比, 其输出电压的谐波含量可以大幅度降低 (2) 每只开关管的电压应力降低为输入电压的一半因此该逆变器适用于高输入电压的场合飞跨电容箝位型三电平逆变器将图 1.2 中的 A 相单独取出来分析, 如图 1.3 所示这里假设相电流 ia 流出桥臂中点, 当 Q 11 和 Q1 2 导通时,A 相输出电压为 + Vin /2( 图 1.3(a)) ; 当 Q 11 关断时, 箝位二极管 D1 5 导通, 将 Q 11 两端的电压箝在 V in /2( 图 1.3(b)) ; 当 Q 12 也关断时, 如果回路中存在寄生参数如线路电感, 那么 Q 12 两端的电压可能会超过 V in /2 ( 图 1.3(c)) 对于 Q1 3 和 Q 14 来说, 其情况类似, 即 Q 14 两端的电压可以被 D16 箝在 V in /2, 而 Q 13 两端的电压无法被箝在 V in /2 也就是说, 二极管箝位型三电平逆变器只能保证桥臂外边的两只开关管的电压箝在 Vi n/2, 而里面的两只开关管的电压无法被箝在 V in /2 当 ia 流进桥臂中点时, 其工作原理与前面的分析类似, 这里不再赘述图 1.3 二极管箝位型 TL 逆变器的三个工作模态为了解决这个问题, 法国的 Meynard T A 和 Foch H 在 1992 年的 IEEE 电力电子专 [2] 家会议 (PESC) 上提出了飞跨电容箝位型三电平逆变器图 1.4 给出了三相飞跨电容箝位型 TL 逆变器的电路图, 其中 Cfly1 Cfly2 和 Cfly 3 为飞跨电容, 在稳态工作时, 其电压为 V in /2 与二极管箝位型 TL 逆变器比较, 飞跨电容型 TL 逆变器没有箝位二极管和输入分压电容取其中的 A 相来分析 ( 图 1.5), 当上面的两只开关管导通时,A 相电压 va N = Vin ; 当 Q1 1 截止 Q1 2 导通时, 飞跨电容 Cfly1 向负载供电,vA N = vcfly1 = Vin /2 ; 当 Q 11 导通 Q 12 截止时, 输入电源与 Cfly1 电压之差向负载供电,vA N = Vin - vcfly1 = V in /2 ; 当下面的两只开关管 2

15 1 1 三电平逆变器的发展概况导通时,vA N =0 也就是说, 每相电压可以得到三个电平 :1 1 /2 和 0 图 1.4 飞跨电容箝位型 TL 逆变器图 1.5 飞跨电容箝位型 TL 逆变器的四个工作模态飞跨电容箝位型 TL 逆变器具有与二极管箝位型 TL 逆变器同样的优点, 即开关管的电压应力为输入电压的一半, 输出电压的谐波含量可以大幅度降低这里要说明的是, 二极管箝位型 TL 逆变器中, 外面的两只开关管必须分别先于对应的里面的两只开关管关断, 否则开关管的电压应力无法箝在 V in /2 而对于飞跨电容箝位型 TL 逆变器而言, 外面的两只开关管和里面的两只开关管分别为互补导通, 外面的开关管和里面的开关管的开关次序没有限制 3

第 1 章概述 1.1.3 级联型多电平逆变器在三电平逆变器的基础上, 可以推广得到多电平逆变器随着电平数的增加, 二极管箝位型多电平逆变器的箝位二极管数量快速增加, 而且输入分压电容存在电压均衡的问题

6 给出了级联型五电平逆变器的电路图, 每相由两个全桥单元级联而成, 由于每个全桥单元均有独立的直流电压源, 所以各个单元之间不存在均压问题, 每只开关管的电压应力均为全桥单元输入电压, 同时不需要箝位二极管或飞跨电容

16 第 1 章概述级联型多电平逆变器在三电平逆变器的基础上, 可以推广得到多电平逆变器随着电平数的增加, 二极管箝位型多电平逆变器的箝位二极管数量快速增加, 而且输入分压电容存在电压均衡的问题对于飞跨电容箝位型多电平逆变器而言, 电平数增加, 飞跨电容的数量也快速增加, 同时飞跨电容电压也存在均衡的问题 [3] 级联型多电平逆变器不存在二极管箝位型多电平逆变器和飞跨电容箝位型多电平逆变器的问题图 1.6 给出了级联型五电平逆变器的电路图, 每相由两个全桥单元级联而成, 由于每个全桥单元均有独立的直流电压源, 所以各个单元之间不存在均压问题, 每只开关管的电压应力均为全桥单元输入电压, 同时不需要箝位二极管或飞跨电容如果是级联型三电平逆变器, 则每相只需要一个全桥单元图 1.6 级联型五电平逆变器混合箝位型三电平逆变器 [4] 混合箝位型三电平逆变器如图 1.7 所示, 它采用二极管和飞跨电容同时箝位, 解决了里面两只开关管电压应力过高的问题图 1.7 混合箝位型三电平逆变器 4

17 1 2 三电平直流变换器的发展概况 1.2 三电平直流变换器的发展概况三电平直流变换器 ( TL 变换器 ) 的发展是建立在三电平逆变器的基础上的,19 92 年 Meynard T A 和 Foch H 在提出飞跨电容箝位型多电平逆变器的同时, 也提出了几种非 [2] 隔离的飞跨电容型多电平直流变换器, 其中包括几种非隔离的飞跨电容型 TL 变换器同年, 巴西的 Pin heiro J R 和 Barbi I 在 IEEE 工业电子控制仪器和自动化(IECON) 会 [5] 议上提出了三电平直流变换器的概念, 该论文再次发表在 IEEE 工业电子期刊上在第 2 章我们将会提到, 该变换器本质上是一个半桥变换器, 因此称其为半桥 TL 变换器 [6] 另外,Barbi I 所领导的研究小组还提出了正激 TL 变换器 [8] 换器 [7] 反激 TL 变换器和推挽变在 1998 年 IEEE 电力电子专家会议 (PESC) 上,Barbi I 等人提出了一种四只开关管的直流变换器, 该变换器类似于半桥 TL 变换器, 该文再次发表在 2004 年的 IEEE [9] 电力电子期刊上在这些 TL 变换器中, 半桥 TL 变换器得到了极大的发展, 很多学者提出了各种各样的电路拓扑以实现开关管的软开关这些 TL 变换器可以归纳为两类 : 一类是非隔离型 TL 变换器, 另一类是隔离型 TL 变换器, 包括 Forward Flyback 推挽和半桥 TL 变换器下面详细阐述其发展过程非隔离型 TL 变换器参见图 1.5, 如果相电流 ia 一直是流出桥臂, 那么上面两只开关管的反并二极管 D 11 和 D12 一直不会流过电流, 可以去掉同时, 下面两只开关管 Q 13 和 Q 14 也不会流过电流, 同样可以去掉这样图 1.5 中的每相桥臂可以简化, 如图 1.8(a) 所示类似地, 如果相电流 ia 一直是流入桥臂, 那么上面两只开关管 Q 11 Q 12 和下面两只反并二极管 D13 和 D1 4 一直不会流过电流, 可以去掉这样图 1.5 中的每相桥臂可以简化, 如图 1.8(b) 所示 ( 注意 : 这里的元器件的编号已作改变, 电压源也由 Vin 改为 Vcell) 图 1.8 相电流单方向流动的 TL 桥臂在图 1.8(a) 的 A 点和 N 点接上电感和电容组成滤波器, 就可以得到一个 Buck TL 变换器, 如图 1.9(a) 所示在图 1.8(b) 的 A 点和 N 点接上电感和输入电压源, 并将 V cell 改为一个电容, 就得到了 Boost T L 变换器, 如图 1.9(b ) 所示同理可以得到 Buck Boost Cuk Zet a 和 Sepic 等 TL 变换器, 其中 Buck Boost TL 变换器中的 V cel l = Vin + V o, Cuk T L 变换器中的 Vcell = V Cb = V in + V o, 而对于 Sepic TL 变换器和 Zet a T L 变换器, 在 5

18 第 1 章概述两只开关管和两只二极管中间串入了中间储能电容 Cb,V cell 分别为 Vo 和 Vi n 图 1.9 非隔离型 TL 变换器 [2, 10 ~ 12] 非隔离型 TL 变换器的优点是 : (1) 开关管和二极管的电压应力是其对应的传统两电平变换器的一半比如,Buck TL 变换器的开关管和二极管的电压应力为 Vi n/2, 而传统的 Buck 变换器的开关管和二极管的电压应力为 Vi n (2) 可以大大减小储能元件如滤波电感滤波电容和中间储能电容的大小上述优点将在第 2 章和第 3 章中详细分析隔离型 TL 变换器 1.Forward TL 变换器文献 [6] 提出的双端 Forward TL 变换器如图 1.10 所示, 它实质上是在双管 Forward 变换器的基础上改进得到的, 分别用 Q 1 和 Q 2 Q3 和 Q 4 代替原来的一只开关管在关断时, 两只开关管共同承受电压应力 Vin, 输入分压电容 Cd 1 和 Cd 2 均分输入电压, 得到两个 6

19 1 2 三电平直流变换器的发展概况电压为 Vi n/2 的电压源, 与箝位二极管 Dc1 和 Dc 2 来确保两只开关管的电压应力相等, 均为 V in /2 这里要说明的是, 虽然该变换器可以降低开关管的电压应力, 但从变压器副边的输出滤波器两端来看, 其电压波形依然为两电平波形, 因此不能减小输出滤波器图 1.10 双端 Forward TL 变换器 2.Flyback TL 变换器文献 [7] 提出的双端 Flyback T L 变换器如图 1.11 所示, 与双端 Forward TL 变换器类似, 它也是在双管 Flyback 变换器的基础上改进得到的, 分别用 Q1 和 Q 2 Q 3 和 Q4 代替原来的一只开关管在关断时, 两只开关管共同承受电压应力 Vin, 输入分压电容 Cd 1 和 Cd 2 均分输入电压, 得到两个电压为 Vin /2 的电压源, 与箝位二极管 Dc 1 和 Dc 2 一起来降低两只开关管的电压应力与双端 Forward TL 变换器不同,Q1 和 Q4 的电压应力为 V in /2, 而 Q 2 和 Q3 的电压应力低于 nvo - Vin /2( n 为变压器原副边匝比 ) 与单端 Flyback 变换器不同的是, 这里 n 的选择必须保证折算到原边的输出电压低于输入电压, 即 nvo < V in, 否则 D1 和 D2 将会导通, 原边没有能量传递到副边图 1.11 双端 Flyback T L 变换器与双端 Forward TL 变换器类似, 虽然双端 Flyback TL 变换器可以降低开关管的电压应力, 但从变压器副边来看, 其电压波形依然为两电平波形, 因此不能减小输出滤波电容 V in 3. 推挽 TL 变换器文献 [8] 提出了一种推挽 TL 变换器, 如图 1.12 所示, 开关管电压应力为输入电压, 其降低开关管电压应力的方法与与前述双端 Forward TL 变换器和双端 Flyback TL 变换器类似, 这里不再赘述类似地, 该变换器本质上还是一个两电平变换器, 因此不能减小输出滤波器 7

20 第 1 章概述图 1.12 推挽 TL 变换器半桥 TL 变换器半桥 TL 变换器也属于隔离型, 其最大的优点是开关管的电压应力为输入电压的一半, 适用于输入电压较高的应用场合该变换器吸引了很多学者的关注, 他们对此进行了大量研究, 因此这里特别把它作为一小节, 来阐述其发展过程及分类 1. 基本的零电压开关半桥 TL 变换器半桥 TL 变换器的基本电路如图 1.13 所示, 其中输入分压电容 Cd 1 和 Cd 2 均分输入电压, 其电压均为 V in /2,Lr 是变压器的漏感或外加的谐振电感, C1 ~ C4 是开关管的结电容或外加的谐振电容图 1.14(a) 给出了基本控制方式的主要波形图, 其中 Q 2 和 Q 3 为 180 互补导通,Q 1 和 Q 4 为斩波控制同时, 利用 Lr 和 C1 ~ C4 可以实现开关管的零电压开关 (Zero Voltage Switching,ZVS) 当斩波管 Q 1 在 t0 时刻关断时, 原边电流 ip 给 C1 充电, 同时给 C3 和 C4 放电由于滤波电感折算到原边与漏感串联, 而滤波电感较大, 因此 ip 近似为一个恒定的电流在 t1 时刻,C1 的电压上升到 V in /2,D5 导通, 将 C1 的电压箝在 V in /2, 此时 C3 和 C4 的电压下降到 Vin /4 在 t2 时刻,Q2 关断, 此时滤波电感电流在副边续流, 不能反射到原边, 这样, 用来给 C2 充电给 C3 和 C4 放电的能量只有漏感的能量如果负载电流较大, 漏感能量将使 C2 的电压上升到 V in /2, 同时 C3 和 C4 的电压下降到零, 这样,Q 3 和 Q 4 就可以零电压开通在轻载时, 漏感能量将不足以使 C3 和 C4 的电压下降到零, 使 Q 3 和 Q 4 失去零电压开通的条件 Q1 和 Q 2 的情况与此类似图 1.13 基本半桥 TL 变换器 8

1 2 三电平直流变换器的发展概况图 1.14 基本半桥 TL 变换器的主要工作波形从上面的分析可以看出, 当一只开关管 ( 如 Q 1 ) 关断时, 有三只开关管 ( 如 Q1 Q 3 和 Q4 ) 的结电容参与谐振工作文献 [13] 在该变换器中引入一只飞跨电容, 即图 1.13 中虚线所示的 Cs s, 稳态工作时,Css 的电压为 V in /2 该变换器的主要波形如图 1.

21 1 2 三电平直流变换器的发展概况图 1.14 基本半桥 TL 变换器的主要工作波形从上面的分析可以看出, 当一只开关管 ( 如 Q 1 ) 关断时, 有三只开关管 ( 如 Q1 Q 3 和 Q4 ) 的结电容参与谐振工作文献 [13] 在该变换器中引入一只飞跨电容, 即图 1.13 中虚线所示的 Cs s, 稳态工作时,Css 的电压为 V in /2 该变换器的主要波形如图 1.14(b) 所示, Css 将外面的两只开关管 Q1 和 Q 4 的开关过程与里面两只开关管 Q 2 和 Q3 的开关过程解耦开来也就是说, 外面的两只开关管开关时, 里面的两只开关管的结电容不参与工作 ; 同理, 里面的两只开关管开关时, 外面的两只开关管的结电容也不参与工作引入飞跨电容后, 可以采用图 1.14(a) 所示的控制方式, 也可以采用移相控制方式, 外面的两只开关管为超前管, 里面的两只开关管为滞后管超前管可以利用滤波电感和漏感的能量, 在很宽的负载范围内实现 ZVS, 而滞后管只能利用漏感能量实现 ZVS, 当负载较轻时, 滞后管将不能实现 ZVS 其详细的工作原理将在第 8 章中详细讨论 2. 加辅助网络的零电压开关半桥 TL 变换器为了在较宽的负载范围内实现开关管的 ZVS, 可以在基本的变换器中加入由两个电容 Ca 1 Ca 2 和一个电感 La 1 组成的辅助电路, 其主电路和主要工作波形如图 1.15 所 [14, 15] 示 Ca 1 和 Ca 2 起到了飞跨电容的作用, 其稳态电压均为 V in /4, 它们将外面的两只开关管和里面两只开关管的开关过程解耦开来当 Q 2 导通时,Ca 1 的电压加在 La1 两端, 使其电流 ila1 线性上升 ; 当 Q3 导通时,Ca2 的电压加在 La 1 两端, 使 ila1 线性下降由于 Q2 和 Q3 为 180 互补导通, 而它们的开关过程很短, 可以忽略, 因此加在 La1 上的电压近似为一个幅值为 Vi n/4 的方波电压,iL a1 近似为一个三角波形在 Q 2 关断时刻,iLa1 流出节点 A, 与漏感电流 ip 一起, 给 C2 充电和给 C3 放电当 Q3 关断时,iLa1 流进节点 A, 与漏感电流 ip 一起, 给 C3 充电和给 C2 放电实际上, 辅助电感 La 1 和漏感的能量一起用来实现里面两只开关管的 ZVS, 这样就拓宽了里面两只开关管实现 ZVS 的负载范围为了拓宽外面两只开关管实现 ZVS 的负载范围, 文献 [16] 在此基础上, 又引入一只辅助电感 La 2, 并采用移相控制方式, 其主电路和主要波形如图 1.16 所示当 Q1 导通时, Cd 1 和 Ca 1 的电压 ( Vin /2 - V in /4 = V in /4) 加在 La2 两端, 使其电流 ila2 线性上升 ; 当 Q 4 导通时,Cd 2 和 Ca2 的电压加在 La 2 两端, 使 ila2 线性下降由于 Q 1 和 Q 4 为 180 互补导通, 因此 9

22 第 1 章概述图 1.15 加一个辅助网络的零电压开关半桥 TL 变换器与辅助电感 La 1 类似,La 2 的电压也近似为一个幅值为 V in /4 的方波电压,iLa2 近似为一个三角波形在 Q 1 关断时刻,iLa2 流出 Q 1 和 Q 2 的连接点, 与原边电流 ip 一起, 给 C1 充电和给 C4 放电当 Q 4 关断时,iL a1 流进 Q 3 和 Q 4 的连接点, 与 ip 一起给 C4 充电和给 C1 放电实际上, 用来实现外面两只开关管 ZVS 的能量不仅有漏感和输出滤波电感的能量, 还有辅助电感 La 2 的能量, 外面两只开关管几乎可以在从空载到满载的范围内实现 ZVS 10

23 1 2 三电平直流变换器的发展概况图 1.16 加两个辅助网络的零电压开关半桥 TL 变换器在本书后面关于半桥 TL 变换器的讨论中, 除非特别说明, 均引入飞跨电容, 且均采用移相控制方式, 外面的两只开关管为超前管, 里面的两只开关管为滞后管 11

24 第 1 章概述为了拓宽滞后管实现 ZVS 的负载范围, 也可以直接在图 1.13 所示基本半桥 TL 变换器中的 A B 两点间加入一个辅助电感 La, 如图 1.17(a) 所示当 va B = + Vin /2 时, 辅助电感电流 il a 线性上升 ; 当 va B = - V in /2 时,iLa 线性下降, 如图 1.17(b) 所示当滞后管关断时, 辅助电感电流和原边电流同时对滞后管的结电容进行充放电, 合理设计 ila 的峰值, 就可以使滞后管在很宽的负载范围内实现 ZVS ila 的峰值取决于 va B 的脉宽, 在轻载时滤波电感电流可能断续, 此时 vab 的脉宽将会很小,iL a 的峰值也会相应减小, 可能不足以实现滞后管的 ZVS 图 1.17 加辅助电感的零电压开关半桥 TL 变换器为了解决这个问题, 文献 [17] 提出了一种新的 ZVS 半桥 TL 变换器, 如图 1.18 所示, 其中 Cs s1 和 Css 2 为两个容量很大且相等的电容, 其稳态电压为 Vin /4 ;Lc 为耦合电感, 其中 LM C 为中心抽头开路时耦合电感的励磁电感 ; 变压器与 Lc 的中心抽头及 Css 1 和 Cs s2 的中点相连接该变换器与前述变换器的不同之处是 : (1) 当 vab 的脉宽增大时, 变压器原边电压的脉宽减小 (2) 变压器原边电压的幅值为 V in /4, 而非前面所讨论 TL 变换器的 V in /2 12

25 1 2 三电平直流变换器的发展概况 (3) 滞后管比超前管容易实现 ZVS 图 1.18 加耦合电感的零电压开关半桥 TL 变换器该变换器也是利用耦合电感来帮助漏感实现超前管的 ZVS, 当变压器原边电压脉宽减小时, 耦合电感电压脉宽增大, 相应的耦合电感电流峰值也增加这就意味着, 当负载减轻时耦合电感电流的峰值是增加的, 这个特点刚好弥补了图 1.17 所示变换器的缺点, 合理设计耦合电感的大小, 可以使所有开关管在空载到满载整个负载范围内实现 ZVS 3. 零电压零电流开关半桥 TL 变换器为了在较宽的负载范围内实现滞后管的软开关, 可以让滞后管实现零电流开关 (Zero Current Switching,ZCS), 而超前管依然实现 ZVS, 我们称这类软开关半桥 TL 变换器为 ZVZCS 半桥 TL 变换器图 1.19 给出了一种 ZVZCS 半桥 TL 变换器的主电路及工作波形, 它在副边加入了 [ 18] 由 Q b Db 和 Cb 组成的有源箝位电路在 t1 时刻,Q 2 和 Q 4 导通,vAB =0, 此时开通辅助 13

26 第 1 章概述管 Q b, 电容 Cb 上的电压反射到原边, 使原边电流 ip 减小, 并在 t2 时刻减小到零然后 Cb 向负载提供能量, 在 t3 时刻关断 Qb 在 t4 时刻, 滞后管 Q 2 关断, 由于 ip 为零, 因此 Q 2 为零电流关断经过很短的死区时间, 在 t5 时刻, 开通滞后管 Q 3, 由于漏感限制了 ip 的上升率,Q 3 近似为零电流开通因此滞后管实现了 ZCS 图 1.19 副边加有源箝位电路的 ZVZCS 半桥 TL 变换器从上面的分析可以看出, 为了使滞后管实现 ZCS, 需要在 vab =0 时使原边电流减小到零基于上述思想, 还可以得到几种 ZVZCS 半桥 TL 变换器, 如图 1.20 所 [1 8 ~ 2 2] 示 14

27 1 2 三电平直流变换器的发展概况图 1.20(a) 在原边加入了饱和电感 Ls 和阻断电容 Cb, 在 va B =0 时, 利用 Cb 的电压使原边电流减小到零, 并利用 Ls 使原边电流保持在零, 为滞后管提供 ZCS 的条件图 1.20(b) 在原边加入一个辅助变压器 Tra 和两只二极管 Dc 1 Dc2, 变压器有三个绕组, 绕组 N1 与主变压器 Tr 原边串联, 另外两个绕组 N2 和 N3 分别与 Dc1 和 Dc2 串联后, 再分别与超前管 Q 1 和 Q4 并联当 Q 1 关断后,Q 2 继续导通, 此时 vab =0, 原边电流 ip 为正, 图 1.20 几种 ZVZCS 半桥 TL 变换器 15

28 第 1 章概述图 1.20 几种 ZVZCS 半桥 TL 变换器 ( 续 ) 流进辅助变压器绕组 N1 的同名端根据变压器原副边电流关系可知, 绕组 N2 的电流从其同名端流出, 经过二极管 Dc1 流入输入分压电容 Cd 1, 这样, 绕组 N2 的电压为 Vin /2, 同名端为正, 该电压折算到绕组 N1, 使原边电流减小到零, 为 Q 2 提供实现 ZCS 的条件同理, 当 Q 4 关断后,Q 3 继续导通时, 通过绕组 N3 和 N1 来实现 Q3 的 ZCS 图 1.20(c) 和 (d) 在副边加入缓冲电路, 利用缓冲电容的电压使原边电流减小到零针对图 1.20(d) 中副边整流电压较高的缺点, 文献 [21] 在此基础上, 在变压器中增加一个 16

29 1 2 三电平直流变换器的发展概况绕组 N2, 同时在绕组 N1 和 N2 的交点与输入电源的正负端间分别加入了箝位二极管 D7 和 D8, 如图 1.20(e) 所示在图 1.20(f) 中, 在滤波电感 Lf 上增加一个绕组, 当 va B =0 时, 利用所增加绕组的感 [22 ] 应电压使原边电流减小到零文献 [22] 还将该电路与副边加缓冲电路结合起来提出了两种 ZVZCS 半桥 TL 变换器 4. 谐振型半桥 TL 变换器在关于半桥 TL 变换器软开关技术的研究过程中, 也提出了一些谐振型半桥 TL 变 [1 5, 23, 24] 换器, 如串联谐振型并联谐振型 LCC 谐振型和 LLC 谐振型, 如图 1.21 所示这些变换器的特点与传统对应类型谐振变换器类似, 这里不展开讨论图 1.21 谐振型半桥 TL 变换器 17

30 第 1 章概述 5. 其他类型 TL 变换器图 1.21 谐振型半桥 TL 变换器 ( 续 ) 文献 [25] 从全桥变换器推导出一种如图 1.22(a) 所示的四管变换器, 该变换器由两图 1.22 文献 [25] 提出的四管变换器 18

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FJXBQ 高等医学院校选用教材 ( 供成人教育中医药专业中西医结合专业使用 ) 方剂学闫润红主编 2 0 0 1 内容简介本书是供成人教育中医药专业中西医结合专业使用的教材全书分总论和各论两部分, 总论部分对中医方剂的基本理论, 如治法君臣佐使剂型剂量等及其现代研究进展进行了介绍各论部分对常用方剂的主治病证配伍意义临床应用加减变化规律及现代研究概况等内容, 按分类进行了系统阐述在保证方剂学学科知识结构完整性的前提下,