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,，但其都對電壓和功率等級有限制,，適合中小功率的場合。

    隨著人們對電力電子裝置的電壓等級和功率等級的要求不斷提高,，三電平變換器應(yīng)運而生,，從而降低了開關(guān)器件的電壓等級。文獻[2]給出了改進的三電平直直變換器,，在變壓器原邊增加一對電感,，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[3]提出了新的三電平拓撲，增加了兩個開關(guān)管,，減小了輸出濾波電感,，但電路較復(fù)雜，成本過高,。

    本文將三電平技術(shù)與正反激電路結(jié)合起來,，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,。同時利用磁集成技術(shù)，將四個繞組集成在同一磁芯上,，構(gòu)成一個同時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撲,。

    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)，對其各個工作模態(tài)進行分析,。該電路拓撲在一個變換周期內(nèi)可分為14種工作模態(tài),，由于移相控制的對稱性，在此分析了前八個工作模態(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,，電流從電源的正極流出，流經(jīng)開關(guān)管S₁,、S₂,，分別再經(jīng)過變壓器原邊繞組流向分壓電容和經(jīng)過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儲存能量工作于反激模式,，輸出電壓即為L_s1兩端的電壓,。

    模態(tài)2[t₁,，t₂]：給開關(guān)管S₁斷開信號，S₂繼續(xù)導(dǎo)通,，飛跨電容C_s1的電壓通過S₂加在了諧振電感L_r上,，使得有足夠的能量實現(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,，同時通過飛跨電容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儲存的能量經(jīng)D_o2釋放給負載，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，此時,，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S₃加在了諧振電感L_r上,，此時刻跟模態(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L_p1和L_s1工作于反激狀態(tài),，存儲能量,，L_p2和L_s2工作于正激狀態(tài)，循環(huán)以上的模態(tài),。

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

2 變壓器的設(shè)計

    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)計如圖4所示，第一原邊繞組(L_p1)對應(yīng)的第一副邊繞組(L_s1),，第二原邊繞組(L_p2)對應(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，計算每個副邊匝數(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撲,，針對電路的功率密度進行比較,，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磁集成技術(shù)設(shè)計的變壓器,，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所示的拓撲為電路模型,，采用移相控制的方法驅(qū)動開關(guān)管，驗證以上的原理分析,。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撲的四個開關(guān)管的驅(qū)動信號,、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

    綜上，所提出的三電平正反激直直變換電路拓撲,，有以下優(yōu)點：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；變壓器由一個鐵芯及四個繞組集成而成,，相當于兩個變壓器級聯(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,。

參考文獻

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