一种基于软开关三电平DC/DC开关电源的研制

1 引言

目前，开关电源正朝着高频、高效、环保等方向发展。与传统拓扑结构相比，三电平变换器由于具有开关管电压应力为输入直流电压的一半，适合输入电压较高的场合，输出电压谐波小等优点，从而备受关注。此外，伴随着高频化发展，出现了软开关技术，并结合三电平产生了不同拓扑的DC/DC变换器。传统ZVS半桥三电平DC/DC变换器轻载时滞后管难以实现ZVS，且开通损耗严重。ZVZCS变换器消除了ZVS三电平变换器零状态时变压器初级环流，减小了初级通态损耗，同时改善了占空比丢失问题，近年来得到了广泛研究。

这里提出一种新型ZVZCS半桥三电平DC/DC变换器，其次级采用了一个简单的无源筘位网络，通过这个无源箝位网络实现了超前桥臂在一定负载范围内的ZVS和滞后桥臂的ZCS。

2 主电路工作原理

图1为新型半桥三电平DC/DC变换器拓扑。

由图1可见，次级采用的无源箝位网络主要由箝位电容CA和二极管VDA1，VDA2，VDA3构成。变压器次级中心抽头通过VDA1连接到CA，将次级电压箝位在一个较低的水平。Cs1，Cs2为等值的输入分压电容，VDc1，VDc2为箝位二极管，Css为飞跨电容，Llk为变压器漏感，n为变比，VDR1～VDR4为整流二极管，Lf，Cf分别为滤波电感、电容，Uin，Uo为输入、输出直流电压。采用移相PWM控制策略，工作波形如图2所示。

为简化分析，作如下假设：电路各器件均为理想元件；Lf足够大，其电流不变；将Cf看作恒压源。变换器在半个稳态开关周期内有9个工作模态，分析如下：

新周期开始前超前管VS1导通，负载电流通过整流二极管续流，a，b间电压、次级电压、初级电流分别为uab，urec，ip，此时uab=urec= 0，ip=0.

模态1（t1～t2） t1时刻，滞后管VS2导通，新周期开始。由于ip=0，VS2此时ZCS开通。uab=Uin/2，ip线性增加。由于ip仍小于负载电流Io折算到初级的值Io/n，VDR1～VDR4全部导通，urec为零，说明该模态中次级存在占空比丢失现象。

模态2（t2～t3） t2时刻，ip达到Io/n，VDR1，VDR4关断，初级开始向负载传递能量。由于CA上电压为零，VDR1，VDR4为ZVS关断。同时VDA1导通，输入部分能量通过Ilk，VDA1向CA充电。记Uins（m2）为此模态中初级折算到次级的等效电压，Llk（m2）为折算到次级的等效漏感，则CA的电流iCA电压uCA，ip及urec分别为：

由于CA通过变压器次级中心抽头充电，urec=2uCA.t3时刻，uCA=Uo，VDA3导通，urec被箝位为2Uo.记UrecP为次级电压峰值，则UrecP= 2Uo.

模态3（t3～t4）记uCA电压峰值为UCAM，UCAM=Uo保持不变，Llk中的谐振电流经过VDA3流向Cf，iCA迅速减小为零，urec保持2Uo不变。t4时刻Llk电流谐振到零，VDA1，VDA3 ZCS关断。

模态4（t4～t5） uCA仍保持UCAM不变，由于该模态下urec>Uo，VDA2不会导通，有ip（t）=Io/n，urec（t）=Uin/（2n）。

模态5（t5～t6） t5时刻，VS1 ZVS关断，记电容C1，C4电压分别为uC1，uC4，则UC1（t5）=0，UC4（t5）=Uin/2，ip向C1充电，C4放电，次级电压和整流二极管电压迅速减小，则有：

模态6（t6～t7）随着urec的减小，整流二极管两端电压迅速下降，在t6时刻被箝位为UCAM，此时VDA2 ZVS导通，CA开始放电，ip下降。则有：

模态7（t7～t8）t7时刻，C1充电结束，C4放电结束，UC1（t7）=Uin/2，UC4（t7）=0，VDc1开通，将VS1的电压箝位在Uin/2，uab减小至零，ip迅速复位，CA继续向负载放电。有：

模态8（t8～t9） t8时刻，ip完全复位，VDR2和VDR3关断。负载电流由CA提供，uCA逐渐减小到零，整流二极管上的电压也逐渐减小。有：

模态9（t9～t10） t9时刻，CA放电结束，VDA2关断（ZVZCS），Lf，Cf开始提供负载电流，VDR1～VDR4全部开通，负载电流通过整流二极管续流。

3 实现ZVZCS的条件

3.1 超前桥臂ZVS范围

续流阶段超前臂的ZVS特性与原来的ZVS移相控制电路相比有所不同，VS1关断后，在urec下降到UCAM之前，超前臂的瞬态过程与ZVS移相控制电路一致，Lf参与谐振；在urec<UCAM后，仅有漏感参与谐振过程，为实现超前臂的ZVS，必须有一定的漏感储能。

模态5中，urec下降到UCAM，Lf参与对C1充电，对C4放电，根据式(2)中第3式，可得：

式中：IoZVSm为实现ZVS的最小负载电流。

模态6中，uC4减小到零，为VS4的ZVS开通创造条件，此时只有漏感参与超前桥臂的ZVS。由式(3)中第2式及UC4(t7)=0可得：

由于Cp<<Lf，IoZVSm的值满足上式也一定满足式(6)。为实现VS4的ZVS开通，uC4在t7时刻减小到零，同时uC1达到

可见，Lf的能量仅在第一阶段参与C1，C4的充放