一种新型零电流三电平Buck变换器的研究*

侯世英，林 茂，刘早晨，嵇丽明

(重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400030)

小型化、轻量化是电力电子装置的必然发展方向。1981年日本学者提出了中点箝位逆变器；1992年巴西学者提出了一种基于二极管钳位多电平逆变电路拓扑的三电平DC-DC变换器。由于该变换器可做三相PFC后级DC-DC变换器，因此许多学者提出了改进型拓扑结构，针对改进拓扑的控制策略做了相应的研究。另外，也有学者对该电路的软开关实验做了大量研究[1-4]。但这些软开关电路结构复杂，导致控制电路宠大，应用范围受到极大的限制。

[5]提出了一种新型的零电压开关多谐振三电平变换器。其特点是：开关器件均工作在零电压状态；谐振电感一直导通，通态损耗较大；并联谐振电容电压为输入电压的2倍。

针对该电路的这些特点，对其进行改进。图1(a）所示开关谐振单元为参考文献[5]中的零电压多谐振开关单元，采用图1(b)的改进开关单元来代替。

图1 2种谐振开关单元

将图1(b)所示的谐振单元应用于三电平Buck变换器中，并详细分析了用于三电平Buck变换器的工作原理、软开关工作方式，并进行了仿真研究。仿真结果验证了工作原理的正确性，同时具有良好的工作性能。

1 工作原理

图2所示为新型 ZCS TL Buck变换器。其中 S1、S2为主开关，Sa1、Sa2为辅助开关，DS1、DS2、DSa1、DSa2分别为 2个主开关和 2个辅助开关的寄生二极管，D1、D2为主续流二极管，Da1、Da2为辅助续流二 极管，Lr1、Lr2、Lar1、Lar2为谐振电感，Cr1、Cr2为谐振电容。

图2 新型ZCS TL Buck变换器

新型ZCS TL Buck变换器的工作原理：假定变换器工作在稳定状态，并且假设在1个周期有：

(1)Lf足够大 ，远大于谐振 电感 ， 且 Lr1＝Lr2＝Lr，Lar1＝Lar2=Lar。 因此，Io可视为电流源。

(2)Cf足够大，输出电压Vo可视为常数。

(3)Vin为常数，电容 C1、C2足够大，远大于 Cr1、Cr2，且C1＝C2，Cr1＝Cr2＝Cr。所以电容 C1、C2电压均为 Vin/2。

(4)主开关导通前处于续流通道上的谐振电感Lr1或Lr2的电流等于 Io，Cr电压为零。

基于以上假设，新型ZCS TL Buck变换器在1个周期的工作状态可以分为18个模态，因三电平技术的对称性，分析其中1个谐振单元即可。在此详细分析由S1、Sa1、Lr1、Lar1、Cr1、D1、Da1所组成的谐振单元的工作原理，此开关单元可分为9个模态，各模态等效电路如图3所示；新型ZCS TL Buck变换器的理想波形如图4所示。

模态 1 [t0，t1]如图3(a)所示：在 t0时刻之前，主开关S1和辅助开关 Sa1均关断，电流 Io流过 Lr1、D1、Da1和 Lr2、D2、Da2。Lr1的电流等于 Io，电压为零，Cr1的电流电压均为零。t0时刻，S1导通，Lr1两端的电压为Vin/2，谐振电感电流从Io开始下降，S1的电流从零开始以同样的速度上升，为零电流导通。流过 D1、Da1的电流以同样的速度减小，Lr2、D2、Da2中的电流仍为 Io，以 C1、C2、Vin、DS1负载为回路。当主开关的电流为Io，电感电流为零时，该模态结束：

图3 新型ZCS TL Buck变换器各模态等效电路

图4 主要波形

模态 2 [t1，t2]如图3(b)所示：在这个模态中，电流 Io继续流过主开关S1，其他的半导体均处于关断状态。通过调节该模态的占空比，可以对输出电压Vo进行调节。当电容电压上升到Vin/2时，该模态结束：

D为控制占空比，Ts=1/fs为开关周期，fs为开关频率。

模态 3 [t2，t3]如图3(c)所示：t3时刻 Sa1导通，Lar1、Cr1经过Sa1、Cr1开始谐振，Lar1的电流与 Sa1电流为零， 所以Sa1为零电流导通。当uCr1(t)=Vin/2时，该模态结束：

其中：Zr1、ωr1为 Lar1、Cr1的谐振阻抗与角频率：

模态 4 [t3，t4]如图3(d)所示：当 uCr1(t)=Vin时，DS1导通，此时与 Cr1开始谐振，iLr1(t)从零开始上升继续上升，iLar1(t)开始下降 。 当iLr1(t)为零时，该模态结束：

其中：ωr2为 Lr1、Lar1、Cr1的谐振角频率：

模态 5 [t4，t5]如图3(e)所示：t4时刻，iLr1(t)等于输出电流，DS1导通，主开关的电压为零，此时关断主开关即可实现零电压关断。当iLar1(t)为零时，该模态结束。

模态 6 [t5，t6]如图3(f)所示：t5时刻 DSa1导通，辅助开关的电压为零，此时关断辅助开关即可实现零电压关断。当再次到零时，该模态结束：

模态 7 [t6，t7]如图3(g)所示：t7时刻 DSa1关断，辅助开关为零电流关断，Lr1与Cr1发生谐振。当Lr1的电流为零时，该模态结束：

其中：Zr3、ωr3为 Lr1、Cr1的谐振阻抗与角频率：

模态 8 [t7，t8]如图3(h)所示：t8时 DS1关断，主开关为零电流关断，输出电流流过 Da1、Lr1及 Cr1，并向谐振电容放电。当线性下降到零时，该模态结束：

模态 9 [t8，t9]如图3(i)所示：t9时刻谐振电容电压减小到零，Da1导通，输出电流流过二极管 Da1、D1，直到下个周期开始，该模态结束：

半个周期到后，另一个谐振单元进行相似工作，如此一直工作下去。

2 软开关实现条件及最大占空比

由式(13)、(14)和图4可知，要实现软开关，则谐振电感Lar1电流为零时，电感Lr1的电流应该大于输出电流Io，并且谐振电容的电压应该大于零。所以需要满足：

3 仿真验证

通过仿真软件对新型ZCS TL Buck变换器进行了仿真分析。参数设置：输入电压Vin=12 V，额定输出电压uo=3.3 V，开关频率 fs=40 kHz，谐振电感 Lr=200 nH，Lar=200 nH，谐振电容Cr=80 nF。图5分别给出了主开关S1、S2电压电流波形。

图5 主开关 S1、S2波形

本文提出了一种新型ZCS TL Buck变换器，详细分析了该变换器的工作原理，其主开关和辅助开关均为零电流时的开断，主续流二极管及辅助续流二极管均工作在零电压状态。主开关和辅助开关的电压应力仅为电源的一半。仿真结果验证了该新型拓扑控制的正确性和可行性。

参考文献

[1]RUAN Xin Bo，LI Bin，CHEN Qian Hong.Three-level converters-a new approach for high voltage and high power DC to DC converter[C].IEEE PESC Proceedings，2002：663-668.

[2]RUAN Xin Bo，LI Bin，ZHONG Li Jin.Zero voltage switching level converter with current doubler rectifier[C].Proceedings，2002：981-987.

[3]RUAN Xin bo，ZHOU Lin Quan，YAN Yang Guang.Softswitching PWM three level converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(5)：612-622.

[4]CANALES F，BARBOSA P M，LEE F C.A zero voltage and zero current switching three level DC/DC converter[C].IEEE APEC Proceedings，2000：314-320.

[5]金科，阮新波.零电压开关多谐振三电平直流变换器[J].中国电机工程学报，2004，24(7)：156-161.