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[摘要]半桥三电平变换器被广泛的运用于高压大功率场合中，为了减少损耗实现ZVS（零电压开通），本文在传统半桥三电平拓扑的基础上加入了箝位二极管与飞跨电容，并详细分析了移相控制方法下电路的工作原理，然后设计了系统参数，并用matlab进行了建模仿真，仿真结果表明在输入电压为4000V的直流电压时，可以输出100V~800V可调的直流电压，符合项目要求，验证了方案的可靠性与可行性。
[关键词]半桥三电平ZVSmatlab仿真
中图分类号：Z126.27 文献标识码：Z 文章编号：1009―914X（2013）31―0615―02
1、引言
由于半桥三电平变换器的主开关承受的最大电压应力只有输入直流母线电压的一半，因而特别适用于高压大功率场合。在输入4000V直流电压，输出600V直流电压的开关电源中，为了降低IGBT的耐压值、减少线路的损耗、提高线路的传输效率、简化系统的控制方法，采用易于实现的移相方法对电路进行控制，并将传统电路做了变形，能很好的实现ZVS，电路如图1所示：
图1半桥三电平变换器电路图
2、ZVS半桥三电平变换器工作原理
图1中Ci1和Ci2均分输入电压Vin，VDC1和VDC2为续流二极管。C1~C4分别为IGBT Q1~Q4内部的结电容，D1~D4分别为Q1~Q4内部寄生的反并联二极管，Lr为变压器内部漏感。假定所有的元器件都是理想元器件，并且滤波电感Lf>>Lr。
正常工作时Q1和Q4导通信号互补，Q2和Q3的导通信号互补，其关系如图2所示。
图2Q1~Q4触发信号
称Q1、Q4为超前管，Q2、Q3为滞后管，为了实现开关管的零电压开通，在Q2和Q3之间引入Cs为联结电容，它的容值很大，当系统处于稳态时，Cs上的电压为输入电压的一半，因此当超前管开关时，滞后管的结电容不参与谐振，同理当滞后管开关时，超前管的结电容不参与谐振。Lr为谐振电感（为线路中的电感和变压器中的漏感之和），谐振电感和开关管的结电容共同作用来实现四个管子的ZVS。Lf为滤波电感，其值比Lr大很多，Cf为稳压电容，其容值很大。
图2中t0与t1之间和t4到t5之间均为Q1与Q4的死区时间，t2与t3之间和t6与t7之间均为Q2和Q3的死区时间。
状态1：[0，t0] 这段时间内Q1与Q2同时导通，VAB=+Vin/2，给Lr充电，由于Lr较大，故假设电流ip保持不变，变压器副边电路VD1导通。
状态2：[t0，t1] t0时刻Q1关断，ip给C1充电，由于Vc1+Vc4=Vcss，通过Css给C4放电，C1上的电压从0开始上升，C4上的电压从Vin/2开始下降，故Q1实现零电压关断。VAB从Vin/2开始线性下降。到t1时刻下降到0。
状态3：[t1，t2] Q2、Q4同时导通，VAB=0后VDC1自然导通，将C4的电压箝位为0，此时为Q4的零电压开通提供了条件。
状态4：[t2，t3] t2时刻Q2关断，ip给C2充电，通过Cs给C3放电，C2上电压从0开始上升，为Q2实现零电压关断提供条件。给C2充电的同时，VAB=-VC2，到t3时刻，VC2=Vin/2。即VAB=-Vin/2。在此段时间内由于VAB的极性自0变为负，变压器副边然组有上负下正的趋势，所以副边的两个二极管同时导通。t3时刻VC3=0，D3导通。为Q3实现零电压开通提供条件。
状态5：[t3，t4]由于副边两个二极管同时导通，VAB=-Vin/2加在Lr上，电流ip线性下降
状态6：[t4，t5] Q3、Q4同时导通，ip反向增大，由于在t4到t5阶段ip增大的幅度不足以提供负载电流，故副边的两个二极管仍然同时导通，直至ip足以提供负载电流时，VD1关断，负载电流全部流过VD2。
状态7：[t5，t6] 这段时间内，VAB=-Vin/2，电源向负载供电。
状态8：[t6，t7] t6时刻，Q4关断，ip给C4充电，通过Cs给C1放电，C4上的电压从0开始线性上升，C1上的电压从Vin/2开始线性下降，给Q4的零电压关断提供了条件。由于C4上电压的增大，故VAB反向线性下降，到t7时刻下降到0，由于Lf很大，近似认为ip不变。
状态9：[t7，t8] t7时刻VAB=0，则D6导通，将所以VC4=Vin/2，从而VC1=0。此时为Q1的零电压开通提供了条件。
状态10：[t8，t9] t8时刻，关断Q3，ip给C3充电，通过Css给C2放电，VAB=VC3，VC3从0开始线性上升，VAB的极性由0变正，t9时刻，VC3=Vin/2，即VAB=Vin/2，VC2=0，由于电流作用，故D2导通。为Q2的零电压开通提供了条件。
状态11：[t9，t10] 在此时间段Q2可实现零电压开通，ip反向减小，到t10时刻减小到0，D2自然关断
状态12：[t10，t11] Q1、Q2导通，ip正向增大，VAB=Vin/2，但此时ip的大小不足以提供负载电流，故变压器副边电压为0，VD1与VD2同时导通，VAB=Vin/2，到t1时刻，ip增大到Ilf/K，此时VD2关断，VD1持续导通。
后面的过程和此12个模态的过程相似。
3、控制信号的产生
半桥三电平电路的控制策略是采用移相控制，因此采用UCC3895移相控制芯片来产生电路所需要的PWM信号。UCC3895内部包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、延时电路、输出驱动电路、自适应延时设定比较器、欠压封锁比较器、基准电压正常比较器、电流取样比较器和过流比较器等。
图3UCC3895外围电路
如上图3所示，RT和CT分别为振荡器的定时电阻和定时电容，他们共同决定振荡器的工作频率。脚3RAMP接电流取样信号Cs，决定谐波电压的斜率，从而可以使A端和C端输出的脉冲具有一定的相移，B端与D端输出的脉冲具有一定的相移。脚9DELAB为AB互补输出端之间的延时调整，他可以调整输出端A和B之间的死区时间，脚10DELCD为CD互补输出端之间的延时调整，他可以调整输出端A和B之间的死区时间，这段延时加到半桥变换器的两个互补输出脉冲之间，可以通过调节R6、R7来改变死区时间。
4、主要参数设计及仿真分析
根据以上的分析在matlab里建立仿真模型如图所示：
图4主电路仿真模型框图
输入直流Vin=4000V±10%，输出直流电压V0=600V；输出电流I0=60A，开关频率f=20KHz。
变压器匝数比K=2.5，谐振电感量Lr=0.15mH。
仿真结果如下图所示：
图5仿真波形图1
图6开关管漏源级电流和驱动信号波形
图5给出了10A/600V的输出波形，从图形中可以看出波形平滑，原边电流没有出现传统硬开关中的开通电流尖峰，副边存在占空比丢失，与理论分析一致。图6给出了超前管Q1和滞后管Q3的驱动电压与漏-源级电流波形。从波形中可以看出，当驱动
电压变为正时，开关管的漏源电压已经为零，开关管实现零电压开通。而且开关管关断时所承受的电压为直流输入电压的一半。谐振电感Lr造成占空比丢失，这是后期待解决与改善的问题。
5、结论
文章结合移相控制策略对半桥三电平变换器做了理论分析，这种控制策略不仅可以使半桥电路工作在三电平状态，还满足输出电压稳定和开关管电压应力为输入电压的一半的优势。本文对高压半桥三电平电路进行了仿真，最后又设计了一个小功率的实验样机进行了试验，实验结果表明半桥三电平变换器以及其对应的移相控制是可行的，对于高压大功率场合也是可以的。
参考文献
[1] 阮新波，许大宇，严仰光。移相控制零电压开关三电平变换器。电工技术学报。2001
[2] 张廷鹏，吴铁军。 通信用高频开关电源[M].北京：人民邮电出版社，1998
[3] 周华敏，徐波，张前，王陶。一种半桥三电平ZVS DC/DC变换器的研究。电力电子技术，2010
作者简介
张爱东（1968-），男，湖北远安人，远安供电所所长，技师。
[关键词]半桥三电平ZVSmatlab仿真
中图分类号：Z126.27 文献标识码：Z 文章编号：1009―914X（2013）31―0615―02
1、引言
由于半桥三电平变换器的主开关承受的最大电压应力只有输入直流母线电压的一半，因而特别适用于高压大功率场合。在输入4000V直流电压，输出600V直流电压的开关电源中，为了降低IGBT的耐压值、减少线路的损耗、提高线路的传输效率、简化系统的控制方法，采用易于实现的移相方法对电路进行控制，并将传统电路做了变形，能很好的实现ZVS，电路如图1所示：
图1半桥三电平变换器电路图
2、ZVS半桥三电平变换器工作原理
图1中Ci1和Ci2均分输入电压Vin，VDC1和VDC2为续流二极管。C1~C4分别为IGBT Q1~Q4内部的结电容，D1~D4分别为Q1~Q4内部寄生的反并联二极管，Lr为变压器内部漏感。假定所有的元器件都是理想元器件，并且滤波电感Lf>>Lr。
正常工作时Q1和Q4导通信号互补，Q2和Q3的导通信号互补，其关系如图2所示。
图2Q1~Q4触发信号
称Q1、Q4为超前管，Q2、Q3为滞后管，为了实现开关管的零电压开通，在Q2和Q3之间引入Cs为联结电容，它的容值很大，当系统处于稳态时，Cs上的电压为输入电压的一半，因此当超前管开关时，滞后管的结电容不参与谐振，同理当滞后管开关时，超前管的结电容不参与谐振。Lr为谐振电感（为线路中的电感和变压器中的漏感之和），谐振电感和开关管的结电容共同作用来实现四个管子的ZVS。Lf为滤波电感，其值比Lr大很多，Cf为稳压电容，其容值很大。
图2中t0与t1之间和t4到t5之间均为Q1与Q4的死区时间，t2与t3之间和t6与t7之间均为Q2和Q3的死区时间。
状态1：[0，t0] 这段时间内Q1与Q2同时导通，VAB=+Vin/2，给Lr充电，由于Lr较大，故假设电流ip保持不变，变压器副边电路VD1导通。
状态2：[t0，t1] t0时刻Q1关断，ip给C1充电，由于Vc1+Vc4=Vcss，通过Css给C4放电，C1上的电压从0开始上升，C4上的电压从Vin/2开始下降，故Q1实现零电压关断。VAB从Vin/2开始线性下降。到t1时刻下降到0。
状态3：[t1，t2] Q2、Q4同时导通，VAB=0后VDC1自然导通，将C4的电压箝位为0，此时为Q4的零电压开通提供了条件。
状态4：[t2，t3] t2时刻Q2关断，ip给C2充电，通过Cs给C3放电，C2上电压从0开始上升，为Q2实现零电压关断提供条件。给C2充电的同时，VAB=-VC2，到t3时刻，VC2=Vin/2。即VAB=-Vin/2。在此段时间内由于VAB的极性自0变为负，变压器副边然组有上负下正的趋势，所以副边的两个二极管同时导通。t3时刻VC3=0，D3导通。为Q3实现零电压开通提供条件。
状态5：[t3，t4]由于副边两个二极管同时导通，VAB=-Vin/2加在Lr上，电流ip线性下降
状态6：[t4，t5] Q3、Q4同时导通，ip反向增大，由于在t4到t5阶段ip增大的幅度不足以提供负载电流，故副边的两个二极管仍然同时导通，直至ip足以提供负载电流时，VD1关断，负载电流全部流过VD2。
状态7：[t5，t6] 这段时间内，VAB=-Vin/2，电源向负载供电。
状态8：[t6，t7] t6时刻，Q4关断，ip给C4充电，通过Cs给C1放电，C4上的电压从0开始线性上升，C1上的电压从Vin/2开始线性下降，给Q4的零电压关断提供了条件。由于C4上电压的增大，故VAB反向线性下降，到t7时刻下降到0，由于Lf很大，近似认为ip不变。
状态9：[t7，t8] t7时刻VAB=0，则D6导通，将所以VC4=Vin/2，从而VC1=0。此时为Q1的零电压开通提供了条件。
状态10：[t8，t9] t8时刻，关断Q3，ip给C3充电，通过Css给C2放电，VAB=VC3，VC3从0开始线性上升，VAB的极性由0变正，t9时刻，VC3=Vin/2，即VAB=Vin/2，VC2=0，由于电流作用，故D2导通。为Q2的零电压开通提供了条件。
状态11：[t9，t10] 在此时间段Q2可实现零电压开通，ip反向减小，到t10时刻减小到0，D2自然关断
状态12：[t10，t11] Q1、Q2导通，ip正向增大，VAB=Vin/2，但此时ip的大小不足以提供负载电流，故变压器副边电压为0，VD1与VD2同时导通，VAB=Vin/2，到t1时刻，ip增大到Ilf/K，此时VD2关断，VD1持续导通。
后面的过程和此12个模态的过程相似。
3、控制信号的产生
半桥三电平电路的控制策略是采用移相控制，因此采用UCC3895移相控制芯片来产生电路所需要的PWM信号。UCC3895内部包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、延时电路、输出驱动电路、自适应延时设定比较器、欠压封锁比较器、基准电压正常比较器、电流取样比较器和过流比较器等。
图3UCC3895外围电路
如上图3所示，RT和CT分别为振荡器的定时电阻和定时电容，他们共同决定振荡器的工作频率。脚3RAMP接电流取样信号Cs，决定谐波电压的斜率，从而可以使A端和C端输出的脉冲具有一定的相移，B端与D端输出的脉冲具有一定的相移。脚9DELAB为AB互补输出端之间的延时调整，他可以调整输出端A和B之间的死区时间，脚10DELCD为CD互补输出端之间的延时调整，他可以调整输出端A和B之间的死区时间，这段延时加到半桥变换器的两个互补输出脉冲之间，可以通过调节R6、R7来改变死区时间。
4、主要参数设计及仿真分析
根据以上的分析在matlab里建立仿真模型如图所示：
图4主电路仿真模型框图
输入直流Vin=4000V±10%，输出直流电压V0=600V；输出电流I0=60A，开关频率f=20KHz。
变压器匝数比K=2.5，谐振电感量Lr=0.15mH。
仿真结果如下图所示：
图5仿真波形图1
图6开关管漏源级电流和驱动信号波形
图5给出了10A/600V的输出波形，从图形中可以看出波形平滑，原边电流没有出现传统硬开关中的开通电流尖峰，副边存在占空比丢失，与理论分析一致。图6给出了超前管Q1和滞后管Q3的驱动电压与漏-源级电流波形。从波形中可以看出，当驱动
电压变为正时，开关管的漏源电压已经为零，开关管实现零电压开通。而且开关管关断时所承受的电压为直流输入电压的一半。谐振电感Lr造成占空比丢失，这是后期待解决与改善的问题。
5、结论
文章结合移相控制策略对半桥三电平变换器做了理论分析，这种控制策略不仅可以使半桥电路工作在三电平状态，还满足输出电压稳定和开关管电压应力为输入电压的一半的优势。本文对高压半桥三电平电路进行了仿真，最后又设计了一个小功率的实验样机进行了试验，实验结果表明半桥三电平变换器以及其对应的移相控制是可行的，对于高压大功率场合也是可以的。
参考文献
[1] 阮新波，许大宇，严仰光。移相控制零电压开关三电平变换器。电工技术学报。2001
[2] 张廷鹏，吴铁军。 通信用高频开关电源[M].北京：人民邮电出版社，1998
[3] 周华敏，徐波，张前，王陶。一种半桥三电平ZVS DC/DC变换器的研究。电力电子技术，2010
作者简介
张爱东（1968-），男，湖北远安人，远安供电所所长，技师。