零电压开关PWM全桥三电平变换器

加钳位二极管的零电压开关PWM三电平直流变换器Z ero 2Voltage 2Switching PWM Three 2Level Converter with Clamping Diodes阮新波　许大宇　严仰光(南京航空航天大学　210016)R u an X inbo X u Dayu Y an Y anggu ang (Nanjing University of Aeronautics &Astronautics 210016　China ) 摘要　零电压开关PWM 三电平直流变换器(ZVS PWM TL 变换器)利用变压器的漏感和开关管的结电容可以实现开关管的零电压开关,但是输出整流管仍然存在反向恢复带来的尖峰电压。

为了解决这个问题,提出一种新的ZVS PWM TL 变换器,它在基本的ZVS PWM TL 变换器中增加两个二极管,消除了输出整流管的电压振荡,同时保留基本的ZVS PWM TL 变换器的所有优点。

分析了这种新的变换器的工作原理,并在一个600W 的原理样机上进行了验证,最后给出了实验结果。

关键词:三电平直流变换器　零电压开关　脉宽调制中图分类号:TM463Abstract Zero 2Voltage 2Switching PWM Three 2Level Converter (ZVS PWM TL Converter )can realize ZVS for the power switches with the use of the leakage inductance of the transformer and the output capacitors of the power switches.However ,the output rectifier diodes still suffer the volt 2age spike and voltage oscillation resulted by the reverse recovery of the rectifier diodes.In this paper a novel ZVS PWM TL converter is proposed which introduces two clamping diodes to the basic ZVS PWM TL converter ,thus the voltage oscillation and voltage spike are eliminated.The operation prin 2ciple of the novel converter is analyzed and verified by a 600W prototype converter.The experimental results are also included in this paper.K eyw ords :Three 2level converter Zero 2voltage 2switching Pulse 2width 2modulation中国航空基础科学基金和台达电力电子科教发展基金资助项目。

基于SG3525电压调节芯片的PWM Buck三电平变换器摘要：阐述了用SG3525电压调节芯片实现PWM Buck三电平变换器的交错控制。

相对于采用分立元件实现PWM Buck三电平变换器的交错控制而言，该控制方法电路简单，易于实现，可以较好地解决三电平波形的不对称问题。

详细介绍了SG3525电压调节芯片，并给出了基于SG3525电压调节芯片的PWM Buck三电平变换器的具体设计方法。

最后对输入电压为120V(90～180V)，输出为48V/4A，开关频率50kHz的PWM Buck三电平变换器进行了实验验证。

关键词：PWM Buck三电平变换器；SG3525电压调节芯片；分立元件0 引言三电平变换器有以下优点：——开关管的电压应力为输入电压的一半；——可以大大减小储能元件的大小；——续流二极管的电压应力为输入电压的一半。

因此，三电平变换器非常适用于高输入电压中大功率的应用场合。

文献[1]详细分析了隔离与非隔离的三电平变换器的拓扑结构。

由于三电平变换器的开关数目多，对其实施有效的控制比拟复杂。

传统上，采用比拟器、运算放大器和RS触发器等分立元件实现PWM三电平变换器的控制。

但是，由于实现上述控制所需的分立元件众多，两个锯齿波不可能做到完全匹配，同时两个开关管的驱动电路也不可能完全相同，因此，两个开关管的占空比必然存在一定的差异，隔直电容Cb在一个周期内所提供的能量不可能相等，造成了三电平波形不对称。

本文采用电压调节芯片SG3525来实现PWM Buck三电平变换器的控制，可以大大减小由分立元件实现时所带来的三电平波形不对称的问题，实现方法简单有效。

1 Buck三电平变换器1.1 三电平两种开关单元文献[2]分析了三电平DC/DC变换器的推导过程：用两只开关管串联代替一只开关管以降低电压应力，并引入一只箝位二极管和箝位电压源(它被均分为两个相等的电压源)确保两只开关管电压应力均衡。

电路中开关管的位置不同，其箝位电压源与箝位二极管的接法也不同。

用三电平PW M逆变器减小逆变器输出中的共模电压韩伟1　徐倩2(11哈尔滨理工大学,あ哈尔滨150040;あ21哈尔滨市电业局,あ150046)[摘要]与两电平PW M驱动相似,多电平PW M电压源逆变器也可以产生共模电压,从而产生电机轴电压和轴承电流。

本文通过仿真分析可知,与两电平逆变器相比,采用三电平逆变中以有效降低电机端共模电压,从而减小电机端轴电压和轴承电流,提高PW M驱动系统的可靠性和延长电机的寿命。

关键词三电平逆变器　共模电压　PW M逆变器 1　前言现代电力电子技术的发展促进了变频调速技术的进步。

由于大功率快速开关器件的出现,脉宽调制(PW M)驱动技术得到了发展和应用。

但是由于传统二电平逆变器输出线电压跳变幅度较大(可从0V 跳变到直流母线电压),同时由于逆变器输出电压在电机终端可以产生的较高的共模电压[1],共模电压直接加到电机上,会引起绝缘击穿,影响电机的使用寿命。

共模电压中含有与开关频率及其倍数相对应的高频分量,高频的电压分量会通过输出电缆和电机的分布电容产生高频漏电流,漏电流通过绕组和转子间的分布电容,轴承,机壳,然后到地,漏电流过大必然会影响轴承的寿命。

因此综上所述,为提高PW M逆变器的可靠性和通用性,必须设法减小或消除电机终端共模电压,延长电机寿命,提高逆变器的可靠性。

2　三电平PW M控制原理为提高驱动电压,增大电源容量,减小输出谐波,降低电压跳变幅度,在PW M逆变器驱动感应电机的系统中,采用多电平驱动(即逆变器的输出电压由几个电压电平组成)。

很明显,从电机方面看为防止电机附加发热导致电机额外温升,影响电机绝缘及抑制电机转矩脉动,希望逆变器输出较多的电压电平,但这样会增加整流器结构的复杂性和控制上的难度,因此通常选用三电平逆变器[2],足以满足电机要求,其结构如图1所示。

采用两个主管串联,中点有一对二极管箝位的结构。

可以看出,各主管承受的反压是中间回路直流电压的一半,即主管的耐压比二电平逆变器可降低一半。

移相ZVS-PWM全桥变换器概述摘要:移相ZVS-PWM DC/DC全桥变换器巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容来完成谐振过程，使开关管实现零电压开关(ZVS)，从而减少了开关损耗。

重点简述了该类变换器的基本原理，介绍了几种常见的拓扑，并简要地分析了它们的优缺点，最后指出了其发展方向。

关键词:移相全桥变换器零电压开关（ZVS）Overview of Phase Shift ZVS-PWM Full Bridge ConverterAbstract:Phase shift PWM DC/DC full bridge converter completing resonance procedure through leakage inductance of the transformer and junction capacitor of switch. It can make the switch achieve ZVS, decreasing the switching loss and interference .This paper describes the basi c principle of the converter, introduce several common topology, some common topologies as well as their advantages and drawbacks are discussed and analyzed. Finally it points out the development direction of the Converter.Key words:phrase shift，full bridge converter，ZVS引言全桥变换器广泛应用于中大功率的直流变换场合，近些年来，其软开关技术吸引了国内外学者的广泛关注，出现了很多控制策略和电路拓扑，其中移相控制是目前研究较多的控制方式，而以移相全桥零电压开关变换器(FB-ZVS-PWM)应用更为广泛。

全桥DC-DC高频功率变换器技术概述作者：张文洋来源：《科技创新与生产力》 2012年第6期张文洋（太原重型机械集团有限公司，山西太原 030024）摘要：介绍了应用功率MOSFET和IGBT的全桥DC-DC 高频变换器，对包括全桥DC-DC PWM 变换器的控制策略、软开关技术等进行了概述。

关键词：全桥DC-DC变换器；PWM；软开关中图分类号：TM464 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.06.067高频功率电子学的一个主要发展趋势是提高开关频率。

功率半导体制作工艺的发展不仅使器件电压和电流的等级增加，而且也使开关频率显著提高成为可能。

功率半导体工作频率更高，致使变换器的无源元件，即电容、电感和变压器等器件的体积变得更小，从而减小整个设备的体积和重量，增大功率密度，也能改善动态性能。

开关频率的提高，一方面对提高脉冲宽度调制以及谐振技术的应用越发重要，另一个方面需要降低半导体电压和电流应力，限制变换器由于大的di/dt和du/dt所产生的传导和辐射噪声。

尺寸和噪声这两个要求，只有在变换器的内部使用软开关技术才能减小。

1 全桥PWM DC-DC变换器及其控制图1为全桥PWM DC-DC变换器，它主要应用于大功率场合。

图2为半桥DC-DC变换器。

半桥DC-DC变换器的输入和输出电压关系为全桥DC-DC变换器的输入和输出电压关系为其中，占空比D = ton / T（0＜D＜0.5）。

比较全桥变换器和半桥变换器在相同的输入与输出电压及满足相同功率的条件，其匝比数比关系为假设可以忽略输出滤波电感的电流脉动，以及变压器磁化电流均不计，则流过功率管的电流IC由下式给出在2种变换器中，输入电压都通过开关晶体管。

然而在半桥变换器中，功率管要求承载2倍的电流。

因此在高功率应用中，使用全桥比使用半桥在减少并联功率管的数量上时更有优势。

2 全桥DC-DC变换的PWM控制策略第一种为传统的硬开关的控制方法，是通过功率晶体管（T1，T2）和（T3，T4）根据控制信号成对地交替开关，使变压器初级交替通过相等间隔的输入电源最大占空比为50%（D = 0.5）。

三电平变换器SVPWM算法综述1引言随着高压大功率电力电子装置的发展，PWM逆变器从两电平向三电平、多电平的方向发展[1-5]。

三电平逆变器引起了越来越多的关注，其相对于传统两电平电压型逆变器表现出明显的优势，如每个开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，可以使用耐压等级低的器件，并避免了器件串联使用时的动态均压问题[4]；相同调制频率下，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗小，效率高，故有着广泛的应用前景和重要的研究价值。

三电平变换器的PWM调制方法主要有两类：载波调制法和电压空间矢量调制法[1][2]，三电平PWM逆变器输出性能主要取决于调制算法，空间矢量PWM（Space Vector PWM，SVPWM）方式由于其直流电压利用率高、电流纹波小并且输出电压形式丰富，得到了广泛应用。

但它的计算十分复杂，特别是在电平数较多时难以实现实时控制，这一缺点大大限制了它的运用[5]。

传统的三电平SVPWM算法是直接采用类似两电平的方法，其中涉及到较多的三角函数和查表。

随着电平数增多，传统算法会变得越来越复杂。

目前国内外专家对此问题进行了深入的研究，提出了许多改进算法。

本文首先介绍了三电平SVPWM基本原理，然后根据空间电压矢量调制的规律，重点介绍了五种三电平SVPWM算法：古典算法；参考电压分解SVPWM算法；基于线电压坐标系的SVPWM算法；基于60°坐标系的SVPWM算法；基于120°坐标系的SVPWM算法。

最后针对上述五种算法，对三电平变换器中点电压的平衡控制进行了研究。

2三电平SVPWM基本原理三电平的PWM调制方法主要有载波法和空间矢量法，载波法主要有正弦波调制PWM(SPWM)和选择性消谐PWM(SHEPWM)。

空间矢量法(SVPWM)因其电压利用率高、输出波形谐波含量低、易于数字化实现等诸多优点，得到了广泛的应用。

定义三相定子电压空间矢量为v a、v b、v c，由于三相异步电动机的定子绕组空间上呈互差120度分布，故空间电压矢量可以定义为正常情况下，以电机中性点为变换器零电位参考点，引入开关函数S a，S b，S c代表各相桥臂的输出状态，对应的输出相电压分别表示为其中，V dc为直流侧电压；故三相三电平逆变器合成电压状态有33=27种组合，对应的空间矢量数为27种，其中有效电压矢量有19种。

三电平拓扑谐振1.二极管箝位型三电平直流变换器 (2)1.1 全桥三电平直流变换器 (4)1.1.1全桥ZVS三电平变换器 (4)1.1.2 全桥ZVZCS三电平变换器 (10)1.2 半桥三电平直流变换器 (11)1.2.1半桥ZVS三电平变换器 (12)1.2.2 半桥ZVZCS三电平变换器 (18)1.2.3三电平ZVS谐振变流器 (21)1.2.4三电平ZCS变流器 (21)2.高频隔离式三电平直流变换器拓扑 (24)2.1反激式三电平直流变换器 (24)2.2 Sepic型高频隔离式三电平直流变换器 (24)2.3 Zeta型高频隔离式三电平直流变换器 (24)2.4 Cuk型高频隔离式三电平直流变换器 (24)2.5正激式三电平直流变换器 (26)3.非隔离三电平变换器的所有拓扑 (27)3.1 Buck三电平直流变换器 (27)3.2 Boost三电平直流变换器 (27)3.3 Buck-Boost三电平直流变换器 (27)3.4 Cuk三电平直流变换器 (27)3.5 Sepic三电平直流变换器 (27)3.6 Zeta三电平直流变换器 (27)4.双正激三电平直流变换器 (30)5.推挽正激三电平直流变换器 (31)6.其它 (35)6.1飞跨电容型三电平变换器 (35)6.2级联型三电平变换器 (35)7.重要参考文献： (36)1.二极管箝位型三电平直流变换器二极管箝位三电平逆变器主电路拓扑图是一个三相二极管中点箝位三电平逆变器主电路结构，其中Dil 、Di2(i=a, b, c)为箝位二极管。

由于分压电容Cdcl=Cdc2，在系统均压平衡时，有Vdcl=Vde2=Ed/2，带有反并二极管的开关Sil、 Si2、Si3、Si4(i-a,b, c)中，Sil和Si3、Si2和Si4互补。

表1-1是输出状态和开关管的开通对应关系。

可以看出，随着不同开关状态的选取，系统可以输出三种电位，Ed,Ed/2, 0。

三电平软开关直流变换器典型拓扑分析潘虹，张波(广州华南理工大学，广东广州 510640）1 引言近年来，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，三电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案受到越来越多的关注。

三电平[1]大大降低了开关管的电压等级，这样有利于减小开关损耗，提高效率，降低成本。

为了减小变换器的体积和重量，高频化是电力电子学一直追求的目标，伴随着高频化，功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，成为降低开关损耗，提高系统效率以及改善EMI问题的一个重要手段。

三电平零电压软开关直流变换器即是由此应运而生的一种新型，实用的拓扑，通过采用移相控制技术，利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关。

通过高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电使开关管两端电压下降为零，使变换器4个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中的电磁干扰，为变换器提高开关频率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的条件。

但在实际应用中，三电平零电压软开关（ZVS）变换器存在着几个较难克服的问题，从而出现了一系列改进拓扑。

为此，本文系统地总结和分析了目前较为实用和典型的三电平零电压软开关变换器拓扑。

2 传统三电平零电压软开关直流变换器优缺点传统的三电平ZVS软开关直流变换器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，简称TL-ZVS DC/DC converter）如图1所示。

其拓扑特点[2]是引入大容量飞跨电容C ss，变换器工作时其电压稳定在V in/2，使得超前管、滞后管实现软开关的条件相互独立，互不干扰；并且将移相技术与软开关技术结合起来，能很好地降低电路中的损耗，提高效率。

因此，非常适合高输入电压中大功率场合。

图1 传统的三电平移相全桥ZVS变换器但是，传统的三电平ZVS软开关直流变换器也存在不少问题。

移相全桥零电压开关PWM设计实现摘要移相全桥电路具有结构简单、易于恒频控制和高频化,通过变压器的漏感和功率开关器件的寄生电容构成谐振电路,使开关器件的应力减小、开关损耗减小等优点,被广泛应用于中大功率场合。

近年来随着微处理器技术的发展，各种微控制器和数字信号处理器性能价格比的不断提高，采用数字控制已经成为大中功率开关电源的发展趋势。

相对于用实现的模拟控制，数字控制有许多的优点。

本文的设计采用TI公司的高速数字信号处理器TMS320F28027系列的DSP作为控制器。

该模块通过采样移相全桥零电压DC-DC变换器的输出电压、输入电压及输出电流，通过实时计算得出移相PWM信号，然后经过驱动电路驱动移相全桥零电压DC-DC变换器的四个开关管来达到控制目的。

实验表明这种控制策略是可行的，且控制模块可以很好的实现提出的控制策略。

关键词：移相全桥；零电压；DSPPhase-shifted Full-bridge Zero-voltage Switching PWM Design andImplementationABSTRACTPhase-shifted full-bridge circuit has the advantages of simple structure, easy to constant frequency control and high-frequency resonant circuit constituted by the leakage inductance of the transformer and the parasitic capacitance of the power switching devices, to reduce the stress of the switching devices, switching loss is reduced,which widely used in high-power occasion. In recent years, with the development of microprocessor technology, a variety of microcontrollers and digital signal processor cost performance continues to improve, the use of digital control has become the development trend of the large and medium-sized power switching power supply. Relative to achieve analog control, digital control has many advantages. The design uses DSP ,the TI company TMS320F28027 series of high-speed digital signal processor, as the controller. The module through the sampling phase-shifted full-bridge zero-voltage DC-DC converter output voltage, input voltage and output current, obtained through real-time calculation of phase-shifted PWM signal phase-shifted full-bridge zero-voltage DC-DC conversion, and then after the drive circuit the four switch control purposes. The experiments show that this control strategy is feasible, and the control module can achieve the proposed control strategy.Key words: phase-shifted full-bridge；zero-voltage；DSP目录1 引言 (1)1.1 移相全桥软开关研究背景及现状 (1)1.2 本文要做的工作 (1)2 移相全桥电路的工作原理 (2)2.1 电路工作状态及特点 (2)2.2 电路的运行模式分析 (3)2.2.1 工作过程分析 (3)2.3 软开关实现的条件 (7)3 DSP结构功能 (9)3.1 DSP适合于数字信号处理的特点 (9)3.2 TMS320系列DSP概况 (10)3.3 TMS320F2802x芯片特点 (10)3.4 CCSv5平台 (12)3.5 利用CCSv5.1导入已有工程 (13)3.6 利用CCSv5.1调试工程 (14)4 系统程序设计实现 (15)4.1 PWM的产生原理 (15)4.2 主程序的流程图 (15)4.3 程序设计 (18)4.4 最终实现的波形图 (18)5 总结 (23)参考文献 (24)致谢 (25)1 引言1.1 移相全桥软开关研究背景及现状[1]随着电力电子技术的飞速发展，电子设备与人们的关系越来越密切，可靠的电子设备都离不开可靠的电源。

开关模式电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。

其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

开关电源不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换，这两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。

理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。

电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。

相反的，线性电源在产生输出电压的过程中，晶体管工作在放大区，本身也会消耗电能。

开关电源的高转换效率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器，因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小，重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时，开关电源比线性电源要好。

不过开关电源比较复杂，内部晶体管会频繁切换，若切换电流尚加以处理，可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备，而且若开关电源没有特别设计，其电源功率因数可能不高。

主要用途开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

主要类型现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。

这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。