三电平直流变换器研究.doc

1、 电 子 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）论文题目： 三电平直流变换器研究 学习中心： 指导老师： 职 称： 学生姓名： 学 号: 专 业： 电力系统及自动化 电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2017年 03月 25日电子科技大学毕业设计（论文）任务书题目全称：三电平直流变换器研究 任务与要求：本人按论文指导老师的要求在规定时间内，按质按量地完成毕业论文的撰写，在阅读大量相关参考文献的基础上形成自己的写作思想，并对论文的布局谋篇进行认真的思考和分析，在写作中形成个人正确的思想和观点。论文的格式要完全符合电子科技大学的要求。时间： 2015 年 2 月 1 日 至 2015 年 4

2、月 25 日 共 12 周教学单位： 学生姓名： 学 号：专业： 电力系统及自动化指导教师： 职 称： 电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2017年 03月25日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2月2日至3月9日论文选题符合专业要求王哲X月X日至X月X日查阅相关参考文献已查阅相关文献10篇王哲X月X日至X月X日规划论文框架结构，制定论文提纲已按要求写出题纲王哲X月X日至X月X日撰写论文初稿并交老师修改初稿指导老师已查阅修改王哲X月X日至X月X日将论文各个部分对照论文写作要求一一核对修改已按要求进行核对修改王哲X月X日至X月X日定稿并打印交指导教师已

3、按要求打印交给指导教师王哲教师对进度计划实施情况总评已按上述时间工作内容执行、执行情况良好。 签名: 2016年 11 月 16 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要由于三电平直流变换器可以降低开关管的电压应力，实现主开关管的软开关，近年来逐渐成为电力电子技术的一个研究热点。本文在前人的研究成果基础上，提出了基本三电平单元的概念，并将之应用到所有的直流变换器中，由此得到一族的三电平直流变换器，使三电平直流变换器的研究走向系统化。在这些变换器中，如果采用适当的控制方案，除了可以降低变换器开关管电压应力外，部分变换器还可以在输出滤波器上得到三电平电压波形，大大改善了滤波器的工作条件。关键词

4、三电平直流变换器；软开关；电压；滤波器AbstractThe three level DC converter can reduce the voltage stress of the switches, the realization of soft switching of the main switch, in recent years has become a hot research topic of power electronic technology. In this paper, on the basis of previous research results, put f

5、orward the concept of three basic level unit, and applies to all of the DC converter, thus obtains three level DC converter family, make the research on three level DC converter to systematic. In these converters, if adopting proper control strategy, not only can reduce converter voltage stress of t

6、he switches, part of converter can also get three level voltage waveform at the output filter, the filter greatly improved working conditions.KEY WORD Three level DC converter； soft switching； voltage； filter目录第一章绪论1第二章 三电直流变换器的发展3第三章 三电平直流变换器的推导6第一节 三电平变换器的推导步骤6第二节 一族三电平变换器7第四章 Buck TL变换器的工作原理9第一节

7、三电平模式9第二节 两电平模式11结束语13谢辞14参考文献15III电子科技大学毕业论文（设计） 逆变电源并联均流技术研究第一章 绪论1981年，日本的Akira Naba。教授提出了中点箱位逆变器(Neutral-Point- Clamped Inverter, NPC逆变器)，如图1-1(a)所示，它是在传统的三相桥式逆变器中增加了虚线所示的两个分压电容，在每一桥臂增加了两只开关管和两只中点箱位二极管。该逆变器每个桥臂的输出可以得到Vm、Vm/2、0三个电平，因此该电路也称三电平逆变器(Three-Levellnverter, TL逆变器)。传统的逆变器每个桥臂只能输出Vm和0两个电平，

8、故可称为两电平逆变器。与两电平逆变器相比，TL逆变器大大减小了输出电压中的高次谐波，波形如图1-1(b)。同时，该电路还有另一个优点:开关管电压应力为输入电压的一半。(a)主电路 （b）主要波形图1一1 TL逆变器随着通讯、计算机行业的蓬勃发展，电源设备具有更好的环保性能成为电力电子技术的一个重要的发展方向，一些世界性的学术组织和国家还颁布或实施了一些输入电流谐波限制标准，如IEC555-2, IEEE519, IEC1000-3-2等。为了得到好的环保性能，其中很重要的一点就是减少电源设备对交流电网的谐波污染，通常的做法是采用功率因数校正技术(Power Factor Correction,

9、 PFC)。中、大功率的高频开关电源一般为三相380VAC20%输入，整流后的直流母线电压最高将会达到640V左右；如果采用三相PFC技术，直流母线电压通常会达到760-800 VDC，甚至要达到1000VDC以上。这使得后级直流变换器开关管的电压应力大大增加，给器件的选取带来了困难。为了解决这个问题，巴西的Jose Renes Pinheiro利用TL逆变器可以减小开关管电压应力的特点，提出了零电压开关PWM三电平直流变换器(Zero-Voltage-Switching PWMThree-Level Converter, ZVS PWM TL变换器)，如图1-2所示。比较图1-2与图1-1(

10、a)可知，ZVS PWM TL变换器中阴影部分实际上是TL逆变器的一个桥臂，因此我们称之为“三电平直流变换器”。该变换器电路结构简单，四只开关管电压应力仅为输入电压的一半，并且可以实现ZVS，非常适用于高输入电压，中、大功率的应用场合。第二章 三电直流变换器的发展图2-1所示的ZVS PWM TL变换器的四只开关管利用变压器漏感储能来实现软开关，但存在以下问题:l)里面两只开关管(Q2和Q3)轻载时不能实现ZVS；2)为了在较宽负载范围实现软开关，需要加大漏感或串入谐振电感，这将造成占空比丢失，降低了电压利用率；3)输出整流二极管存在反向恢复，存在电压尖峰；4)在每次开关过程中，四只开关管的寄

11、生电容均参与谐振，难以优化设计参数以实现开关管的软开关。图2-1 ZVS PWM TL变换器为了解决在每次开关管开关时四只开关管的寄生电容均参与谐振的问题，美国电力电子系统中心(CenzerforpowerElectronicsSysrems，CPES)的FCanales在电路中增加了一个飞跨电容(Flying capacitor)，如图2-1中虚线所示的电容Css，由此将外面两只开关管的开关过程与里面两只开关管的开关过程解祸，也就是说，外面开关管开关时，里面两只开关管的结电容不参与谐振工作:而里面开关管开关时，外面两只开关管的结电容不参与谐振工作，这样可以分别讨论外面两只开关管和里面两只开关

12、管的工作情况，并且可以采用移相控制方法。为了使里面两只开关管在宽负载范围内实现ZVS，Pinhoiro在电路中增加了一个由La、Ca1、Ca2:组成的辅助网络，利用La的能量帮助漏感来实现里面两只开关管的ZVS4，如图2-2所示。图2-2增加辅助网络的ZVS PWM TL变换器由于里面两只开关管实现ZVS困难，FCanales提出了一种零电压零电流开关(Zero一Volrage and Zero-Current-switching,ZCZCS)PWM TL变换器，如图2-3所示。电路在副边增加了一个有源箱位电路(由Qc:和Cc组成)，利用Cc的电压使原边电流降到零，为Q2和Q33提供了ZCS条

13、件。有源箱位电路还可以消除整流二极管的电压尖峰。该变换器在宽负载范围内实现了外面两只开关管的ZVS和里面两只开关管的ZCS。但Qc需要相应的控制电路和隔离驱动，电路较为复杂。图2-3 加有源箱位电路的ZVZ PWM TL变换器TL变换器的软开关技术:提出了九种PWM控制策略，引入了超前管(外面两只开关管Q1和Q4)和滞后管(里面两只开关管Q2和Q3)的概念，指出超前管只能实现ZVS，滞后管可以实现ZVS或ZCS，由此将软开关PWM TL变换器分为ZVS和ZVZCS两类，并在此基础上提出一种新型ZFZCS PWM TL变换器，如图2-4所示。该变换器通过阻断电容Cb和滞后管的串联二极管使原边电流

14、在零状态减小到零并保持在零，为滞后管提供ZCS写的条件。图2-4 加串联二极管的ZVZCS PWM TL变换器第三章 三电平直流变换器的推导第一节 三电平变换器的推导步骤所有直流变换器的TL结构，包括Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta等六种不隔离的TL变换器和正激、反激、推挽、全桥等隔离的TL变换器。在这些变换器中，开关管的电压应力均为其基本电路的一半。下面以BuckTL变换器为例阐述TL变换器的推导步骤。步骤1:将基本变换器中的开关管替换为相互串联的两只开关管，如将Q替换为Q1，和Q2，如图3-1(b)所示:步骤2:寻找或构成箱位电压源。分析基本变换器中

15、开关管的电压应力，如果在变换器中存在与开关管的电压应力相等的电压，就可以以此电压作为箱位电压源，否则则需在变换器中构成一个箱位电压源。当寻找到或构成箱位电压源后，将其分为两个相等的电压源(用两个相等的电解电容相串联)。在Buck变换器中，开关管的电压应力为输入电压Vm，则可用两个容量相等的电容Qd1和Cd2将输入电压一分为二，得到两个电压为Vm/2的电压源，如图3-1(c)所示:步骤3:从箱位电压源的中点引入一只箱位二极管到两只开关管的中点，箱位二极管的放置与两只开关管与箱位电压源联结的地方有关。如果开关管的流入极与箱位电压源的正极相连，那么箱位二极管的阳极与箱位电压源的中点相连，构成一个阳极

16、单元;如果开关管的的流出极与箱位电压源的负极相连，那么箱位二极管的阴极与箱位电压源的中点相连，构成一个阴极单元。图3-1(d)所示为一个由阳极基本单元构造的Buck TL变换器。图3-1 Buck TL变换器的推导过程第二节 一族三电平变换器按照上述的步骤，我们可以推出所有基本变换器的三电平拓扑结构。图3-2给出的是不隔离的6种变换器的三电平电路。对于Boost变换器，其开关管的电压应力为输出电压Vo，因此其箱位电压源直接利用输出电压。对于Cuk变换器，其开关管的电压应力为Vrn+Vo，而电容C，上的电压刚好为Vrn+ Vo，这样可以选择它为箱位电压源。对于BucklBoost变换器、Sepi

17、c变换器和Zeta变换器，其开关管的电压应力均为Vm+Vo，而变换器中没有电容电压为Vrn+vo，因此必须构造一个箱位电压源。在Buck/Boost变换器中，输入与输出之间的电压为Vrn+Vo，在两者之间跨接两个容量相等的电容Cd1和Cd2，则构成了箱位电压源。在Sepic变换器中，电容Cb的电压为Vrn ,那么VAB=Vm+vo，在A, B两点跨接两个容量相等的电容Cd1和Cd2，则构成一个箱位电压源。同样的，Zeta变换器中电容Cb的电压为Vo，那么VAB=Vrn+vo，在A.、B两点跨接两个容量相等的电容Cd1和Cd2，则构成了箱位电压源。图3-3给出的是隔离变换器的三电平电路。对于Fo

18、rward变换器而言，如果复位绕组匝数与原边绕组匝数相等，那么开关管的电压应力为2Vm，这时可选择输入电压为箱位电压源。Flyback变换器开关管的电压应力为Vm+(Np/Ns)Vo，为了得到(Np/Ns)Vo，将变压器原边绕组拆为两个匝数相等的绕组，由于对称，箱位二极管D1可以改变方向。对于Push-Pull变换器，其箱位电压源就是输入电压。半桥变换器的三电平结构前面己提到，而全桥变换器则与半桥变换器类似，这里不再赘述。图3-2 不隔离的6种TL变化器图3-3 隔离的TL变换器第四章 Buck TL变换器的工作原理在分析之前，做如下假设:所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件;Cd1=C

19、d2众且足够大，均分输入电压，可以看成两个电压为从户的电压源:输出电容足够大，等效为电压源Vo。第一节 三电平模式当输入电压较低或输出电压较高时，开关管的占空比大于0.5，电路工作在3L模式，主要波形如图4-1(a)。在一个开关周期内，电路存在四个开关模态，各模态描述如下:a、开关模态lt0,t1图4-2(a)Q1、Q2同时导通，AB两点间电压为输入电压Vm。滤波电感Lf的电流线性增加。(4-1)图4-1 Buck TL 变换器主要波形b、开关模态2tl，t2图4-1(b)t、时刻关断Q1,D1导通。VAB=VM/2,Q1两端电压为Vm/2。Lf电流线性下降:(4-2)T2时刻开通Q1，电路进

20、入开关模态3。开关模态3与开关模态1相同。t3时刻关断Q2，进入开关模态4，电路工作情况同开关模态2类似，此处不再赘述。 由图4-1(a)可知:(4-3)(4-4)(4-5)其中，Ts=1/fs是开关周期，fs是电路的开关频率;Ton为开关管的导通时间，Toff为开关管的截止时间，定义D=Ton/Ts为占空比;Ilfmn_3L为3L模式下的最小电感电流，1Lfmax_3L为3L模式下的最大电感电流。(4-5)(4-6)图4-2 3L模式下的等效电路第二节 两电平模式当输入电压较高或输出电压较低时，开关管的占空比将会小于0.5，电路工作在2L模式，主要波形如图4-1(b)所示。一个开关周期内包括

21、4个开关模态。a、开关模态1t0,t1图4-3(a)Q2导通，D1导通，VAB=Vm/2,D2上的电压为Vm/2(4-7)图4-3 2L模式的等效电路b、开关模态2t1,t2图4-3(b)t，时刻关断Q2,D1、D2导通，电路进入开关模态2。VAB=0，Q1、Q2两端电压均为Vin/2。（4-8）T2时刻开通Q1，电路进入开关模态3。开关模态3与开关模态l相类似。几时刻关断Q1，电路进入开关模态4，同开关模态2工作情况相同，此处不再赘述。由图4-1(b)可知:(4-9)(4-10)(4-11)其中，Ilfmin_2L为2L模式下的最小电感电流，Ilfmin_2L为2L模式下的最大电感电流。由式

22、（4-10）及式（4-11）可知：（4-12）（4-13）结束语本文提出了基本三电平单元的概念，系统论述了三电平直流变换器拓扑族系的推演过程，给出了族系的全部拓扑结构，针对其中的BuckTL变换器进行了细致的分析。详细分析了BuckTL变换器的工作原理，推导了变换器的输入输出外特性，讨论了电路滤波器的设计和优化原则，并利用pspice电路仿真软件加以验证。谢辞通过这三年的网络学习，使我对电力电子这门课程有了更深一步的认识，并且对这门课程产生了浓厚的兴趣，使我明白了学习并不一定要学课本上的知识，更需要学习课外的知识，只有在着两个方面下才能更好的理解和掌握这门课程。在整个毕业设计中，我得到了指导老师的热心指导和帮助，在此致以崇高的谢意，希望老师今后生活愉快。参考文献1.周林泉、零电压零电流开关PWM全桥变换器的研究与工程实现，南京航空航天大学硕士论文，2001年;2.丁道宏、电力电子技术，航空工业出版社1995年，第一版:3.陈乾宏、开关电源中磁集成技术的应用研究，南京航空航天大学博士论文，2001年;4.张占松、蔡宣三、开关电源的原理与设计，电子工业出版社1998年，第一版:5.蔡宣三、龚绍文，高频功率电子学，科学出版社1993年，第一版。6.阮新波，严仰光，直流开关电源的软开关技术，科学出版社，2000年7.李琐枢“电力电子的发展现状及动向”，电源世界，2001年第2期，15