王歸新，徐春雷，張 紅，劉行文，游文娟

（三峽大學(xué)，湖北宜昌443002）

半橋三電平變換器的移相控制

王歸新，徐春雷，張 紅，劉行文，游文娟

（三峽大學(xué)，湖北宜昌443002）

針對4000V高壓直流電壓輸入的變換器，提出了一種半橋三電平電路拓?fù)洌⒎治銎涔ぷ髟砗蜖顟B(tài)，采用移相控制方法實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS，并根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的要求，設(shè)計(jì)出了電路的參數(shù)，利用相關(guān)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。該變換器的工作原理在一個(gè)2kW的原理樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。

高壓；半橋；三電平；ZVS

1 引言

在輸入電壓為直流4000V，輸出為直流600V的開關(guān)電源中，考慮到電路所需IGBT的耐壓值、線路的損耗、線路的傳輸效率、控制方法的簡單性以及線路的經(jīng)濟(jì)性等要求，提出了高壓半橋三電平變換器電路拓?fù)?，并采用移相控制方法對線路的參數(shù)進(jìn)行了確定，最后進(jìn)行了仿真和小型樣機(jī)驗(yàn)證。如圖1所示為半橋三電平變換器電路拓?fù)?，Cd1和Cd2是分壓電容，它們的容值相等，Cd1和Cd2上的電壓均為輸入電壓的一半，D11和D12為續(xù)流二極管。Q1、Q2、Q3和Q4為半橋電路的開關(guān)管，其中Q1和Q2組成上橋臂；Q3和Q4組成下橋臂；Q1和Q4導(dǎo)通信號互補(bǔ)，Q2和Q3的導(dǎo)通信號互補(bǔ)，其導(dǎo)通信號之間的關(guān)系如圖2所示。D1-D4分別為Q1-Q4的內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管，C1-C4分別為Q1-Q4的結(jié)電容。不難分析出4個(gè)開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，在Q2和Q3之間引入Css1為聯(lián)結(jié)電容，它的容值很大，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，Css1上的電壓為輸入電壓的一半，因此當(dāng)超前管開關(guān)時(shí)，滯后管的結(jié)電容不參與諧振，同理當(dāng)滯后管開關(guān)時(shí)，超前管的結(jié)電容不參與諧振。Lr為諧振電感（包括線路中的電感和變壓器中的漏感），諧振電感和開關(guān)管的結(jié)電容共同作用來實(shí)現(xiàn)4個(gè)管子的ZVS。Lf為濾波電感，其值比Lr大很多，Cf為穩(wěn)壓電容，其容值很大。

圖1 半橋三電平變換器電路拓?fù)?/p>

圖2 Q1-Q4觸發(fā)信號

2 狀態(tài)分析和開關(guān)管的ZVS

如圖2所示為Q1-Q4觸發(fā)信號，一個(gè)開關(guān)周期中，電路有8個(gè)開關(guān)狀態(tài)。假定所有的元器件都是理想的，并且濾波電感Lf?Lr，，其中CLag為開關(guān)管的結(jié)電容。T0與T1之間和T4到T5之間均為Q1與Q4的死區(qū)時(shí)間，T2與T3之間和T6與T7之間均為Q2和Q3的死區(qū)時(shí)間。

2．1 開關(guān)狀態(tài)0：T0時(shí)刻之前

在T0時(shí)刻之前，Q1、Q2處于關(guān)斷狀態(tài)，Q3、Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)；Q3和Q4的電壓均為0V；由于Css1的緣故使得Q1和Q2的電壓均為輸入電壓的一半即0．5Vin；VAB＝-0．5Vin，VD2導(dǎo)通，VD1截止。

2．2 開關(guān)狀態(tài)1：【T0，T1】

在T0時(shí)刻關(guān)斷Q4，由于開關(guān)管的開關(guān)存在延時(shí)，因此Q4延時(shí)一段時(shí)間后，在T0與T1中的某一時(shí)刻真正關(guān)斷，即Q4的電流變?yōu)?，電壓變?yōu)?．5Vin，因此，Q1的電壓變?yōu)?V，并且從Q4電流變?yōu)?的那一刻起，Css1開始對Q1放電，由于Q3一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，其電壓為0，Q2的電壓為0．5Vin，因此，D12自然導(dǎo)通。

2．3 開關(guān)狀態(tài)2：【T1，T2】

T1時(shí)刻，開通Q1，由于D12自然導(dǎo)通，使得Q1的電壓保持在0V，因此在T1時(shí)刻開通Q1屬于實(shí)現(xiàn)了超前管的ZVS。T1到T2的時(shí)間段內(nèi)，Q1和Q3保持開通狀態(tài)，Q2和Q4保持關(guān)斷狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)Css1一直在放電，這個(gè)放電過程一直到T2時(shí)刻Q3關(guān)斷才結(jié)束。

2．4 開關(guān)狀態(tài)3：【T2，T3】

T2時(shí)刻關(guān)斷Q3，Css1放電過程結(jié)束，并且隨著Q3的關(guān)斷，Css1開始充電，C3開始充電。當(dāng)Q3延遲一段時(shí)間電流變?yōu)?，電壓升為0．5Vin后，由于Css1的作用，使得Q2的電壓保持為0V，T0到T3時(shí)間段內(nèi)，變壓器二次側(cè)均沒有電流。

2．5 開關(guān)狀態(tài)4：【T3，T4】

T3時(shí)刻開通Q2，由于T3時(shí)刻前Q3的電壓保持0．5Vin，使得Q2的電壓為0，因此在T3時(shí)刻開通Q2實(shí)現(xiàn)了滯后管的零電壓開通，降低損耗。T3時(shí)刻之后，很顯然上橋臂的兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2是開通狀態(tài)，下橋臂的兩個(gè)開關(guān)管Q3和Q4是關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)Q1和Q2上的電壓均為0V，Q3和Q4上的電壓均為0．5Vin，A點(diǎn)電位為輸入電壓，B點(diǎn)電位為輸入電壓的一半，VAB＝VA-VB＝0．5Vin，因此Q1和Q2上的電流增加，諧振電感上的電流ip增加，變壓器二次側(cè)VD1導(dǎo)通，VD2截止。

2．6 開關(guān)狀態(tài)5：【T4，T5】

T4時(shí)刻關(guān)斷Q1，ip對C1充電,同時(shí)通過Css1對C4放電，由于諧振電感和濾波電感是串聯(lián)的，后者的值很大，因此可以認(rèn)為ip是幾乎不變的。C1上的電壓從0開始上升,Q4的電壓從0．5Vin開始下降，Q1電流開始減小，當(dāng)Q1的電壓上升至0．5Vin時(shí)，Q4的電壓下降到0V，D11自然導(dǎo)通。

2．7 開關(guān)狀態(tài)6：【T5，T6】

D11自然導(dǎo)通后，將Q4的電壓鉗在0V,因此在T5時(shí)刻開通Q4實(shí)現(xiàn)了超前管的ZVS。在這段時(shí)間里，ip的值等于換算到圓邊的濾波電感的電流，T6時(shí)刻ip的值下降到Q2中的電流值，并且在T6時(shí)刻Css1放電過程結(jié)束，此時(shí)Css1的電壓最低。

2．8 開關(guān)狀態(tài)7：【T6，T7】

在T6時(shí)刻關(guān)斷Q2,諧振電感中的電流ip給Q2的結(jié)電容充電，同時(shí)通過Css1給C3放電，使得Q2的電壓從0V開始上升，Q3上的電壓開始從0．5Vin下降，到T6之后的某一時(shí)刻Q2的電壓上升到0．5Vin，Q3上的電壓就下降到了0V,和Q3反并聯(lián)的二極管D3自然導(dǎo)通。

2．9 開關(guān)狀態(tài)8：【T7，T8】

由于D3的自然導(dǎo)通，因此在T7時(shí)刻可以零電壓開通Q3。T7時(shí)刻之后，很顯然上橋臂的兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2是關(guān)斷狀態(tài)，下橋臂的兩個(gè)開關(guān)管Q3和Q4是開通狀態(tài)，此時(shí)Q1和Q2上的電壓均為0．5Vin，Q3和Q4上的電壓均為0V，A點(diǎn)電位為0V，B點(diǎn)電位為輸入電壓的一半，VAB＝0-VB＝-0．5Vin，因此諧振電感上的電流ip反方向流動(dòng)，Q3和Q4上的電流增加，變壓器二次側(cè)VD2導(dǎo)通，VD1截止。

3 控制信號的產(chǎn)生

半橋三電平電路的控制策略是采用移相控制，因此采用UCC3895［2］移相控制芯片來產(chǎn)生電路所需要的PWM信號。UCC3895內(nèi)部包含誤差放大器、PWM比較器、PWM鎖存器、延時(shí)電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、自適應(yīng)延時(shí)設(shè)定比較器、欠壓封鎖比較器、基準(zhǔn)電壓正常比較器、電流取樣比較器和過流比較器等。

3．1 移相控制信號的產(chǎn)生

如圖3所示為UCC3895結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)。RT和CT分別為振蕩器的定時(shí)電阻和定時(shí)電容，它們共同決定振蕩器的工作頻率。腳3RAMP接電流取樣信號CS，決定諧波電壓的斜率，從而可以使A端和C端輸出的脈沖具有一定的相移，B端與D端輸出的脈沖具有一定的相移。腳9DELAB為AB互補(bǔ)輸出端之間的延時(shí)調(diào)整，可以調(diào)整輸出端A和B之間的死區(qū)時(shí)間，腳10DELCD為CD互補(bǔ)輸出端之間的延時(shí)調(diào)整，可以調(diào)整輸出端A和B之間的死區(qū)時(shí)間，這段延時(shí)加到半橋變換器的兩個(gè)互補(bǔ)輸出脈沖之間，可以通過調(diào)節(jié)R6、R7來改變死區(qū)時(shí)間。

3．2 控制芯片外圍主要元件參數(shù)的確定

根據(jù)以下公式，系統(tǒng)中的頻率f＝20kHz，取RT＝100kΩ，經(jīng)計(jì)算CT＝4700pF。

圖3 UCC3895結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)

根據(jù)公式（2）、（3）、（4）以及系統(tǒng)中互補(bǔ)的兩個(gè)開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間為300ns，因此帶入下面的等式中可以求得RDELAB＝RDELCD＝38kΩ。

4 Matlab仿真結(jié)果

輸入為4000V直流，輸出要求600V直流時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果圖

由圖4可以明顯看到，4個(gè)開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，并且它們的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，輸出電壓達(dá)到要求的值且波形穩(wěn)定，系統(tǒng)的傳輸效率較高，線路損耗比較小，證明這種移相控制的半橋三電平電路很適合高壓輸入的大功率用電場合。

5 試驗(yàn)樣機(jī)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的元器件搭建一個(gè)輸入Vin為直流240V，輸出V0為50V，負(fù)載電流I0為10A，開關(guān)頻率f＝20kHz的試驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證這種控制方式下的高壓半橋三電平變換器的效果。

（1）主電路中元器件的參數(shù)確定以及選型

根據(jù)以下公式，取副邊有效占空比的最大值Deff-max為0．8，整流二極管的壓降VD取0．5V，代入公式求得變壓器的變比K＝1．9,因此取原邊匝數(shù)N＝20，副邊匝數(shù)N1＝N2＝10，那么K＝2，此時(shí)Deff-max＝0．84。

根據(jù)公式（6），取丟失的占空比最大為0．1，代入公式求得諧振電感Lr＝24μH,選擇Lr＝30μH，此時(shí)Dloss-max＝0．128，有Dp-max＝Deff-max＋Dloss-max＝0．965＜1,因此所取得諧振電感的值是合理的。

（2）根據(jù)元件庫的存貨以及所需要的參數(shù)，對元器件進(jìn)行選型

C1＝C2＝C3＝6600e-6F,它們均用3個(gè)型號為NIPPON CHEMION RWE 85攝氏度400V 2200μF的電解電容并聯(lián)組成；聯(lián)結(jié)電容Css1＝2200μF，直接選用型號為NIPPON CHEMION RWE 85攝氏度400V 2200μF的電解電容。

D11和D12以及VD1、VD2選擇型號為DS145-08A的快恢復(fù)二極管。

開關(guān)管Q1-Q4選擇有反并聯(lián)二極管的K75T60，負(fù)載選擇2個(gè)10Ω的發(fā)熱爐子并聯(lián)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，半橋三電平變換器以及其移相控制策略很好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)完全達(dá)到了要求。

6 結(jié)論

本文結(jié)合移相控制策略對半橋三電平變換器進(jìn)行了理論分析，這種控制策略不僅可以使半橋電路工作在三電平狀態(tài)，還滿足輸出電壓穩(wěn)定和開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半的優(yōu)勢。本文對高壓半橋三電平電路進(jìn)行了仿真，設(shè)計(jì)了一個(gè)小功率的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明半橋三電平變換器以及其對應(yīng)的移相控制是可行的，對于高壓大功率場合同樣適用。

［1］阮新波，許大宇．一向控制零電壓開關(guān)三電平變換器［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)．

［2］UCC3895資料［Z］．

［3］張廷鵬，吳鐵軍．通信用高頻開關(guān)電源［M］．北京：人民郵電出版社，1998．

［4］賀寶財(cái)．BICMOS相移諧振PWM控制器UCC3895原理及應(yīng)用．

A phase shift control for the half-bridge three-level converter

WANG Gui-Xin，XU Chun-lei，ZHANG Hong，LIU Xing-wen，YOU Wen-juan
（China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

In view of 4000V high-voltage DC input voltage converter,a half-bridge three-level circuit topology is proposed,and its working principle and status are analyzed．The phase shift control method is adopted to accomplish the ZVS switching tube,the parameters of the circuit are designed according to the requirements of the input and output voltage．The simulations is also performed．Finally the working principle of this converter is verified on a 2kW prototype．

high voltage;half-bridge;three-level;ZVS

TP212

A

王歸新（1961-），男，湖北黃梅人，漢族，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

徐春雷（1987-），女，河南駐馬店人，漢族，研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與應(yīng)用。

張 紅，女，土家族，研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

劉興文，男，漢族，研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

游文娟，女，漢族，研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

2013-04-11

1005—7277（2014）01—0020—03