0 引言

    電氣隔離直直變換器中,，正激式變換電路功率大,，可靠度高，但其變壓器需要磁芯復(fù)位,，并且多了一個(gè)續(xù)流二極管,，使電路的器件多，增大成本,；反激式變換電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，成本較低，但其峰值電流較大,，輸出電壓紋波大,。所以，正反激組合變換器應(yīng)運(yùn)而生,，相繼出現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換正反激直直變換器,、有源箝位正反激變換器等，但其都對(duì)電壓和功率等級(jí)有限制,，適合中小功率的場(chǎng)合,。

    隨著人們對(duì)電力電子裝置的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的要求不斷提高，三電平變換器應(yīng)運(yùn)而生,，從而降低了開關(guān)器件的電壓等級(jí),。文獻(xiàn)[2]給出了改進(jìn)的三電平直直變換器，在變壓器原邊增加一對(duì)電感,，減小電路占空比丟失,，提高了效率，然而電路的功率密度較小,。文獻(xiàn)[3]提出了新的三電平拓?fù)?，增加了兩個(gè)開關(guān)管，減小了輸出濾波電感,，但電路較復(fù)雜,，成本過(guò)高。

    本文將三電平技術(shù)與正反激電路結(jié)合起來(lái),，組成三電平正反激直直變換器。由于正反激的結(jié)合,，省去了較大的濾波電感,，提高了變換器的功率密度。同時(shí)利用磁集成技術(shù),，將四個(gè)繞組集成在同一磁芯上,，構(gòu)成一個(gè)同時(shí)具有正激和反激作用的變壓器，有效地提高了變壓器磁芯利用率,，增大了電路效率,。

1 工作原理

    圖1示出三電平正反激直直變換器的主電路拓?fù)洹?/p>

    為了分析方便,，假定除了開關(guān)管S₁～S₄內(nèi)的結(jié)電容外，所有的半導(dǎo)體器件都是理想器件,，箝位電容C₁,、C₂和濾波電容C_o足夠大，電路處于穩(wěn)態(tài),。

    下面以圖1為基礎(chǔ),，對(duì)其各個(gè)工作模態(tài)進(jìn)行分析。該電路拓?fù)湓谝粋€(gè)變換周期內(nèi)可分為14種工作模態(tài),，由于移相控制的對(duì)稱性,，在此分析了前八個(gè)工作模態(tài)。

    模態(tài)1[t₀,，t₁]：開關(guān)管S₁,、S₂的柵源電壓為高電平，S₁,、S₂處于導(dǎo)通狀態(tài),；開關(guān)管S₃、S₄的柵源電壓為零,，S₃,、S₄處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí),，電流從電源的正極流出,，流經(jīng)開關(guān)管S₁、S₂,，分別再經(jīng)過(guò)變壓器原邊繞組流向分壓電容和經(jīng)過(guò)輔助電感流向飛跨電容,，二極管D_o1導(dǎo)通，二極管D_o2斷開,，L_p1和L_s1工作于正激狀態(tài),，L_p2和L_s2儲(chǔ)存能量工作于反激模式，輸出電壓即為L(zhǎng)_s1兩端的電壓,。

    模態(tài)2[t₁,，t₂]：給開關(guān)管S₁斷開信號(hào)，S₂繼續(xù)導(dǎo)通,，飛跨電容C_s1的電壓通過(guò)S₂加在了諧振電感L_r上,，使得有足夠的能量實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變壓器的原邊電流從S₁轉(zhuǎn)移到S₁內(nèi)的結(jié)電容和S₄內(nèi)的結(jié)電容的支路中,，給S₁內(nèi)的結(jié)電容充電,，同時(shí)通過(guò)飛跨電容C_s2給S₄內(nèi)的結(jié)電容放電，由此體現(xiàn)了軟開關(guān)，原邊電壓下降,。

    模態(tài)3[t₂,，t₃]：開關(guān)管S₄兩端電壓降為零，內(nèi)二極管導(dǎo)通,，原邊電流可近似看作恒定值,，所以，S₁兩端電壓由零線性上升到U_in/2,，零電壓斷開,，二極管D_o1、D_o2都導(dǎo)通,，L_p2和L_s2儲(chǔ)存的能量經(jīng)D_o2釋放給負(fù)載,，S₂繼續(xù)導(dǎo)通，原邊電壓下降為零,。

    模態(tài)4[t₃,，t₄]：開關(guān)管S₄零電壓導(dǎo)通，S₂仍繼續(xù)導(dǎo)通,，原級(jí)電流直線下降,，二極管D_o1上電流下降，二極管D_o2上電流上升,。

    模態(tài)5[t₄,，t₅]：開關(guān)管S₄繼續(xù)導(dǎo)通，給S₂斷開信號(hào),，此時(shí),，利用變壓器原邊電流給開關(guān)S₂內(nèi)的結(jié)電容充電，同時(shí)S₃內(nèi)的結(jié)電容放電,，為零電壓開關(guān)作鋪墊,，原邊電壓由零反向增大。

    模態(tài)6[t₅,，t₆]：開關(guān)管S₄仍處于導(dǎo)通狀態(tài),，S₃兩端的電壓減小到零，內(nèi)二極管導(dǎo)通,，開關(guān)S₂兩端電壓由零線性上升到U_in/2,，S₂零電壓斷開，原邊電壓反向增加到U_in/2,。

    模態(tài)7[t₆,，t₇]：開關(guān)管S₃零電壓導(dǎo)通，飛跨電容C_s2的電壓通過(guò)S₃加在了諧振電感L_r上,，此時(shí)刻跟模態(tài)6相一致。

    模態(tài)8[t₇，t₈]：二極管D_o1電流下降為零,，二極管斷開,，此時(shí)L_p1和L_s1工作于反激狀態(tài)，存儲(chǔ)能量,，L_p2和L_s2工作于正激狀態(tài),，循環(huán)以上的模態(tài)。

    對(duì)應(yīng)工作模態(tài)的關(guān)鍵波形如圖2所示,，給出了整個(gè)周期對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和變壓器原邊的電壓波形,。圖3為各個(gè)模態(tài)的等效電路，圖中（a）~（h）八個(gè)工作模態(tài)與所分析的相對(duì)應(yīng),。

2 變壓器的設(shè)計(jì)

    本文提出的三電平正反激直直變換器中集成變壓器的設(shè)計(jì)如圖4所示,，第一原邊繞組(L_p1)對(duì)應(yīng)的第一副邊繞組(L_s1)，第二原邊繞組(L_p2)對(duì)應(yīng)第二副邊繞組(L_s2),。

    若給定輸入電壓為U_in,，輸出電壓為U_o，輸出功率為P_o,，開關(guān)頻率為f,。

    根據(jù)式：

    式中，N為變壓器原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)之比,，D為占空比,，所以根據(jù)給定條件，并要求考慮到占空比的丟失,，從而可以確定變壓器的匝比,。

    根據(jù)A_P(磁芯窗口面積乘積)值法：

其中，A_e為磁芯有效的截面積,，A_w磁芯窗口面積,，系數(shù)k取0.014，按100 mW/cm³的功率損耗,，ΔB為0.065 T,，f_s取設(shè)定頻率250 kHz，經(jīng)計(jì)算再查磁芯資料,，選材適合的磁芯,。

    根據(jù)電磁感應(yīng)定律，計(jì)算每個(gè)副邊匝數(shù)N2,。

    其中,，由所選的磁芯材料可知磁通密度B和磁芯有效的截面積A_e的取值，則由式(3)就可得知副邊匝數(shù)N₂為多少,，繼而由式(1)易得原邊匝數(shù),。

    根據(jù)上述的分析,，現(xiàn)以400 V的輸入電壓，20 V的輸出電壓,，300 W的功率密度以及開關(guān)頻率為125 kHz為具體示例,，結(jié)合傳統(tǒng)的三電平直直變換電路拓?fù)洌槍?duì)電路的功率密度進(jìn)行比較,，如表1所示,。

    從表1中可以看出，本文提出的三電平正反激直直變換器中通過(guò)磁集成技術(shù)設(shè)計(jì)的變壓器,，不僅電路的質(zhì)量體積都有所較小,，而且省去了較大的濾波電感，提高了變換器的功率密度,。 

3 仿真波形驗(yàn)證

    根據(jù)以上的理論分析,，利用Saber電源仿真軟件，以圖1所示的拓?fù)錇殡娐纺Ｐ?，采用移相控制的方法?qū)動(dòng)開關(guān)管,，驗(yàn)證以上的原理分析。仿真的參數(shù)如表2 所示,。

    仿真結(jié)果如圖5所示,，給出了三電平正反激電路拓?fù)涞乃膫€(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變壓器原邊電壓和輸出電壓的仿真波形圖,，由此可看出,，與上述理論分析相符。

4 結(jié)束語(yǔ)

    綜上,，所提出的三電平正反激直直變換電路拓?fù)?，有以下?yōu)點(diǎn)：三電平技術(shù)與正反激變換器結(jié)合，提高了電路的輸入電壓和功率變換等級(jí),；變壓器由一個(gè)鐵芯及四個(gè)繞組集成而成,，相當(dāng)于兩個(gè)變壓器級(jí)聯(lián)，它們交替地工作在正激狀態(tài)和反激狀態(tài),，提高了變壓器的利用率,；電路中不需要較大的輸出濾波電感，提高了電路的功率密度,。

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