无源无损软开关三电平CUK电路

　　近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，多电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案，正受到越来越多的关注，应用范围越来越广。另一方面，高频化一直是电力电子学追求的目标之一，伴随着高频化，功率器件的开关损耗和电磁干扰EMI）问题成为日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，它成为降低开关损耗，提高系统效率，改善EMI，提高系统可靠性的一个重要手段。为改善高频工作条件下，三电平CUK 电路的效率和EMI 问题，适用于单端变换器的最小电压应力无源无损软开关吸收单元应用于该电路，在实现三电平的同时改善了功率开关器件的工作状态，提高了系统的效率。

　　三电平无源无损软开关电路

　　单相三电平电路的主电路如图1所示，在相同输出电压条件下，开关管的电压应力减低一半，从而相应的通态损耗和开关损耗有所减小，但当开关频率较高时，这些损耗依然可观，并且EMI 噪声随着开关频率的提高而越来越严重，因此，使用软开关技术来进一步提高效率，降低EMI，仍然是必要和有意义的。DC DC变换器的开关损耗和EMI 噪声主要来自于开关器件的开通和关断过程，当采用功率MOSFET管作为开关器件时，上述问题来源于以下三个方面：

　　1）MOSFET 开通过程中，由续流二极管反向恢复电流导致的电流浪涌，这个过电流是开通损耗和di At 的主要来源。

　　2）MOSFET的漏-源寄生电容的放电所导致的过电流，它可以被有源吸收电路去除，但不能被无源吸收电路去除。

　　3）关断过程中，MOSFET 漏-源极之间的电压快速上升，它导致了高的dv dt 和关断损耗。

　　

　　图1三电平CUK 变换器主电路结构

　　为改善这些问题，研究者们提出了许多软开关（3）具有最小电压应力的无方案。这里采用文献源无损吸收技术，实现三电平的软开关工作。

　　1.1、电路拓扑和基本原理

　　

　　

　　1.2、工作过程分析

　　2.2、在分析工作过程之前作如下假设

　　1）除续流二极管外，所有器件均为理想器件。

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　电路又回到与阶段1开始时刻相同的运行状态，等到下一个开关周期的到来。

　　无源无损软开关电路参数设计

　　无源无损软开关电路无需额外的检测和控制电路，但必须合理设计无源器件的参数，才能保证电路的正确运行。从上文的工作过程，可以得出以下几个设计要点：

　　

　　

　　

　　仿真结果

 

　　为了验证上述三电平电路控制方法的正确性，利用Pspice9.1仿真软件进行了仿真研究。仿真中相关电路参数如下： 谐振电感Ln 2）为18yH，谐辅振电容Cn 2） 为43nF，储能电容Ca 2） 为1pF，助二极管VDi 2）1，VD 0）2，VD 2）3为MUR8100。图5a所示为硬开关条件下，开关管和续流二极管的电压和电流波形，图5b 所示为附加无源无损吸收单元后，开关管和续流- 二极管的电压和电流波形，显然，后者很好地实现了开关管和续流二极管的软开关运行。从图中可以看出，开关管的开通过程是很好的零电流开通，但关断过程，电压和电流有一很小重叠区域，事实上，如果增大谐振电容管电压的上升斜率将减小，零电压关断的Cr 2），情况会更好，只是相应的开通电流过冲会增大，图中的软开关过程是在综合考虑开通电流过冲和关断电压缓升后，折中选择电路参数所得到的结果。并且，开关管关断过程无过压，验证了前文的分析。

　　结束语

　　利用电路拓扑结构的改进，为提高系统效率，改善电力电子装置EMI 特性。提出了一种新颖的三电平无源无损软开关电路拓扑。着重研究了将一种无原理性过压的无源无损吸收电路单元应用到三电平电路中，文中详细地介绍了其原理和工作过程，出了相应的设计要点，并进行了仿真研仿真结究，果表明理论分析的正确性，和硬开关相比，该电路

　　不仅实现了三电平的功能，而且所有功率器件均工作在软开关状态，开关管无原理性过压，系统效率同时，由于采用的是无源无损软开关技术，所高。以并没有带来控制上的复杂性。是一种既有理论意义，又有实用价值的电路拓扑。