無源無損軟開關(guān)三電平CUK電路

　　近年來，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，多電平變換器作為順應(yīng)這一潮流的一種解決方案，正受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用范圍越來越廣。另一方面，高頻化一直是電力電子學(xué)追求的目標之一，伴隨著高頻化，功率器件的開關(guān)損耗和電磁干擾EMI）問題成為日益突出的矛盾，由此軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，它成為降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，改善EMI，提高系統(tǒng)可靠性的一個重要手段。為改善高頻工作條件下，三電平CUK 電路的效率和EMI 問題，適用于單端變換器的最小電壓應(yīng)力無源無損軟開關(guān)吸收單元應(yīng)用于該電路，在實現(xiàn)三電平的同時改善了功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的效率。

　　三電平無源無損軟開關(guān)電路

　　單相三電平電路的主電路如圖1所示，在相同輸出電壓條件下，開關(guān)管的電壓應(yīng)力減低一半，從而相應(yīng)的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗有所減小，但當開關(guān)頻率較高時，這些損耗依然可觀，并且EMI 噪聲隨著開關(guān)頻率的提高而越來越嚴重，因此，使用軟開關(guān)技術(shù)來進一步提高效率，降低EMI，仍然是必要和有意義的。DC DC變換器的開關(guān)損耗和EMI 噪聲主要來自于開關(guān)器件的開通和關(guān)斷過程，當采用功率MOSFET管作為開關(guān)器件時，上述問題來源于以下三個方面：

　　1）MOSFET 開通過程中，由續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流導(dǎo)致的電流浪涌，這個過電流是開通損耗和di At 的主要來源。

　　2）MOSFET的漏-源寄生電容的放電所導(dǎo)致的過電流，它可以被有源吸收電路去除，但不能被無源吸收電路去除。

　　3）關(guān)斷過程中，MOSFET 漏-源極之間的電壓快速上升，它導(dǎo)致了高的dv dt 和關(guān)斷損耗。

　　圖1三電平CUK 變換器主電路結(jié)構(gòu)

　　為改善這些問題，研究者們提出了許多軟開關(guān)（3）具有最小電壓應(yīng)力的無方案。這里采用文獻源無損吸收技術(shù)，實現(xiàn)三電平的軟開關(guān)工作。

　　1.1、電路拓撲和基本原理

　　1.2、工作過程分析

　　2.2、在分析工作過程之前作如下假設(shè)

　　1）除續(xù)流二極管外，所有器件均為理想器件。

　　電路又回到與階段1開始時刻相同的運行狀態(tài)，等到下一個開關(guān)周期的到來。

　　無源無損軟開關(guān)電路參數(shù)設(shè)計

　　無源無損軟開關(guān)電路無需額外的檢測和控制電路，但必須合理設(shè)計無源器件的參數(shù)，才能保證電路的正確運行。從上文的工作過程，可以得出以下幾個設(shè)計要點：

　　仿真結(jié)果

　　為了驗證上述三電平電路控制方法的正確性，利用Pspice9.1仿真軟件進行了仿真研究。仿真中相關(guān)電路參數(shù)如下： 諧振電感Ln 2）為18yH，諧輔振電容Cn 2） 為43nF，儲能電容Ca 2） 為1pF，助二極管VDi 2）1，VD 0）2，VD 2）3為MUR8100。圖5a所示為硬開關(guān)條件下，開關(guān)管和續(xù)流二極管的電壓和電流波形，圖5b 所示為附加無源無損吸收單元后，開關(guān)管和續(xù)流- 二極管的電壓和電流波形，顯然，后者很好地實現(xiàn)了開關(guān)管和續(xù)流二極管的軟開關(guān)運行。從圖中可以看出，開關(guān)管的開通過程是很好的零電流開通，但關(guān)斷過程，電壓和電流有一很小重疊區(qū)域，事實上，如果增大諧振電容管電壓的上升斜率將減小，零電壓關(guān)斷的Cr 2），情況會更好，只是相應(yīng)的開通電流過沖會增大，圖中的軟開關(guān)過程是在綜合考慮開通電流過沖和關(guān)斷電壓緩升后，折中選擇電路參數(shù)所得到的結(jié)果。并且，開關(guān)管關(guān)斷過程無過壓，驗證了前文的分析。

　　結(jié)束語

　　利用電路拓撲結(jié)構(gòu)的改進，為提高系統(tǒng)效率，改善電力電子裝置EMI 特性。提出了一種新穎的三電平無源無損軟開關(guān)電路拓撲。著重研究了將一種無原理性過壓的無源無損吸收電路單元應(yīng)用到三電平電路中，文中詳細地介紹了其原理和工作過程，出了相應(yīng)的設(shè)計要點，并進行了仿真研仿真結(jié)究，果表明理論分析的正確性，和硬開關(guān)相比，該電路

　　不僅實現(xiàn)了三電平的功能，而且所有功率器件均工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)管無原理性過壓，系統(tǒng)效率同時，由于采用的是無源無損軟開關(guān)技術(shù)，所高。以并沒有帶來控制上的復(fù)雜性。是一種既有理論意義，又有實用價值的電路拓撲。