三电平软开关变换器的研究

论文摘要

在信息时代,各行各业都在迅速发展,发展的同时对电源变换技术提出了更高更多的要求,如提高效率、减小体积、降低谐波污染、节约能源、运行可靠等。研制大功率、高性能的开关电源仍是人们不断努力和追求的目标,三电平变换器应运而生,在直流变换器领域的应用愈来愈广泛,已成为目前中大功率变换器的一个重要研究方向。三电平直流变换器的首要目的是为了降低开关管的电压应力,同时由于软开关技术的飞速发展,将软开关技术和三电平技术融合在一起,成为研究的热点问题。本文首先介绍半桥型三电平直流变换器的推导过程以及结构组成,重点研究了基本移相式零电压开关（Zero-Voltage-Switching,ZVS）三电平变换器,其集成了谐振变换器和PWM （Pulse-Width-Modulation）变换器的优点。虽然基本ZVS-PWM三电平变换器实现了开关管的ZVS,但同时存在滞后管较难实现软开关、环流损耗、副边占空比丢失、输出整流管将承受较高的尖峰电压等缺陷问题。这些缺点推动了软开关三电平直流变换器的进一步发展,从添加辅助回路的零电压三电平变换器逐渐向零电压零电流（Zero-Voltage-Zero-Current-Switching,ZVZCS）三电平变换器转变,本文对几个典型拓扑进行了分析,引出了本文提出的新型ZVZCS三电平变换器。然后对这种新颖的ZVZCS PWM三电平变换器进行研究。该变换器仍然采用移相控制方式,次级辅助回路不含有耗能元件和有源开关,继承了三电平变换器的所有优点,主开关管的电压应力为输入电压的一半,非常适合高电压大功率场合。利用带抽头的输出平滑电感、并联电容、变压器寄生电感,可在较宽负载范围内实现所有开关管的软开关。同时该变换器可有效地抑制开关管的电压、电流尖峰,降低回路的环流损耗。本文分析了该电路拓扑的软开关工作机理及软开关动作模式,给出不同工作模式下的等效电路图,对变换器软开关动作时序中每一个模式的动态过程进行简要的数学分析；讨论了其电压输出特性、软开关实现条件、开关管电流应力以及回路环流损耗,介绍了回路参数设计方法。最后,通过对电路进行了计算机仿真分析,验证了新型ZVZCS PWM三电平变换器的工作原理和可行性以及理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 直流变换器的分类
• 1.3 软开关技术
• 1.3.1 软开关技术的提出
• 1.3.2 软开关技术的发展及分类
• 1.3.3 直流变换器的软开关技术
• 1.4 三电平直流变换器
• 1.4.1 三电平直流变换器的提出
• 1.4.2 三电平直流变换器的研究现状
• 1.4.3 三电平直流变换器的应用
• 1.5 本课题的主要研究任务
• 第2章 三电平直流变换器的发展概述
• 2.1 三电平直流变换器的推导
• 2.2 零电压三电平（ZVS-TL）直流变换器
• 2.2.1 基本零电压三电平（ZVS-TL）直流变换器
• 2.2.2 添加辅助网络的零电压三电平直流变换器
• 2.3 零电压零电流开关三电平（ZVZCS-TL）变换器
• 2.4 谐振型三电平变换器
• 2.5 本章小结
• 第3章 新型零电压零电流三电平变换器
• 3.1 回路拓扑
• 3.2 控制策略
• 3.3 变换器基本工作原理
• 3.4 变换器相关问题分析
• 3.4.1 超前桥臂的ZVS条件
• 3.4.2 滞后桥臂的软开关条件及相关器件设计
• 3.4.3 开关管的最大电流应力
• 3.4.4 输出电压特性
• 3.4.5 回路环流损耗分析
• 3.4.6 回路空载特性分析
• 3.5 变换器其它器件参数设计
• 3.5.1 分压电容和飞跨电容的选取
• 3.5.2 变压器原副边匝数比设计
• 3.5.3 开关管选型
• 3.5.4 输出整流二极管设计
• 3.5.5 续流二极管设计
• 3.5.6 输出滤波电容的设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 仿真结果分析
• 4.1 PSpice仿真软件介绍
• 4.2 新型ZVZCS三电平变换器的PSpice 9.2仿真
• 4.2.1 开关驱动信号波形
• 4.2.2 变换器主电路工作模态分析
• 4.2.3 飞跨电容的取值
• 4.2.4 软开关波形分析
• 4.2.5 对理论的仿真数据验证
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 进一步展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的成果