【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 模式下各電路的主要關(guān)系式。這其中：增益 M為輸出電壓 Vo與輸入電壓 Vs的比值； D為占空比； Lc為電感 L1在電流臨界連續(xù)狀況下的值； Lc為 Cuk電路中兩電感 L L2在電流臨界連續(xù)時(shí)的并聯(lián)值； Vo、 Io為電路輸出電壓、電流；fs為開關(guān)管 S1的開關(guān)頻率。 表 2一 1基本斬波電路的電路關(guān)系式 ? 采用基本型三電平斬波電路的必要性及其優(yōu)點(diǎn) ? 上節(jié)討論的四種基本型斬波電路，其開關(guān)管開通關(guān)斷過(guò)程中所受的電壓應(yīng)力為輸入或輸出電壓的一倍到幾倍，當(dāng)使用在高輸入的中大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，過(guò)高的電壓應(yīng)力會(huì)帶來(lái)開關(guān)管選擇的難度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性，為此，本節(jié)提出了四種基本型三電平 (Three一 Lveel，簡(jiǎn)稱 3L)斬波電路，電路結(jié)構(gòu)如圖。 圖 2 . 2四種基本型三電平斬波電路結(jié)構(gòu) ?其中 Buck 3L、 Buck一 Boost 3L電路仍然需要電容 C C2以保證太陽(yáng)能電池輸出電流連續(xù)從而不損失發(fā)電功率，各電路經(jīng)過(guò)快恢復(fù)二極管嵌位，能使開關(guān)管的電壓應(yīng)力降為各自兩電平電路中開關(guān)管電壓應(yīng)力的一半。 基本型三電平斬波電路具有以下優(yōu)點(diǎn) : ? ① 開關(guān)管電壓應(yīng)力為兩電平的一半，降低了開關(guān)管的選擇難度 。 ? ② 儲(chǔ)能電感和電容容量可以大大減小，減小了電路的體積。 ? 正是基于以上兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，使得在功率密度要求較高的場(chǎng)合中 (如航天技術(shù)中的光伏系統(tǒng) )，這種以增加有源元件來(lái)減小無(wú)源元件體積的技術(shù)具有很大的實(shí)用價(jià)值。 Buck一 Boost三電平斬波電路 ? ， Buck一 Boost電路的缺點(diǎn)為開關(guān)管的電壓應(yīng)力較高，如果采用三電平方案時(shí)，其電壓應(yīng)力的問(wèn)題也將被解決而有可能成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中典型的應(yīng)用電路。為此，本節(jié)以 Buck一 Boost三電平斬波電路為例，詳細(xì)分析其工作原理和換流分析，并給出在電感電流連續(xù)狀況下的輸入、輸出關(guān)系和電路中的濾波器設(shè)計(jì)原則，從理論上進(jìn)一步探討三電平斬波電路的優(yōu)點(diǎn)。 ? Buck一 Boost三電平斬波電路結(jié)構(gòu)如圖 (c)所示，對(duì)比基本型 Buck一Boost電路，其增加了 S D CC4元件。分析前，定義 :Vs、 Vo為輸入、輸出電壓并假設(shè)其保持不變， T為變換周期。 圖 Boost三電平斬波電路各點(diǎn)工作波形 (1)占空比 D大于 分析 ?電感 L1電流 iL1。連續(xù)時(shí)的工作波形如圖(a)所示。一個(gè)周期中其換流下 : ? 采用軟開關(guān)技術(shù)的必要性及其分類 ? 隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力電子裝置小型化、輕量化、轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性提出了更高的要求。通常 DC/DC變換器中，濾波電感、電容和變壓器等無(wú)源元件的體積和重量占了很大的比例，為此必須設(shè)法降低它們的體積和重量才能達(dá)到小型化、輕量化的目的。 ?由電磁感應(yīng)定律中的公式可知 :在線圈端電壓 U相等和相同的磁通密度 Bm下，提高工作頻率 f可以減小磁性元件的匝數(shù) N和其有效截面積 A。從而能使整個(gè)裝置小型化。但簡(jiǎn)單的提高開關(guān)頻率會(huì)帶來(lái)開關(guān)損耗的成比例增加而使電路效率下降嚴(yán)重，同時(shí)開關(guān)噪聲也將帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，軟開關(guān)技術(shù)相應(yīng)發(fā)展起來(lái)。 ? 所謂 “ 軟開關(guān) ” 是指： 利用諧振原理，在電路中增加小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)。使開關(guān)管中的電流（電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)開關(guān)管電流自然過(guò)零時(shí)，使開關(guān)關(guān)斷；或開關(guān)管電壓為零時(shí)，使開關(guān)開通；或者在開關(guān)管上并聯(lián)有源或無(wú)源吸收網(wǎng)絡(luò)，利用吸收網(wǎng)絡(luò)以減小開關(guān)損耗，典型的有開關(guān)管并聯(lián)電容近似實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷、開關(guān)管串聯(lián)電感近似實(shí)現(xiàn)零電流開通等。 ?在很多情況下，一般當(dāng)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)時(shí)，不再指出開通和關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān) (Zero Voltage Swithing一zvs)和零電流開關(guān) (Zero Current swithing一 zcs)。實(shí)際電路中，簡(jiǎn)單的吸收網(wǎng)絡(luò)會(huì)給電路造成總損耗增加、關(guān)斷過(guò)電壓增大等負(fù)面影響，因此必須附加輔助網(wǎng)絡(luò)配合使用。 ?但不管在什么情況下，軟開關(guān)電路會(huì)消除開關(guān)管開關(guān)過(guò)程中的電壓、電流的重疊，降低了它們的變化率，能很大程度地減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。從而保證了電路實(shí)現(xiàn)工作頻率提高的可行性，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。 ?根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，它可以分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān) PWM電路和零轉(zhuǎn)換 PWM電路三類。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流變換電路的控制信號(hào)一般由單片機(jī)或 DSP提供而多采用 PWM控制。所以采用 PFM方式控制的準(zhǔn)諧振電路很少應(yīng)用在此類場(chǎng)合。 ? 基本型軟開關(guān)斬波電路結(jié)構(gòu) ?本節(jié)給出基本型斬波電路的幾種軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要分析電路的優(yōu)缺點(diǎn)。圖 PWM斬波電路。這其中 (a)、 (b)、 (c)沒有輔助開關(guān) 。而 (d)中存在輔助開關(guān)管 S2，在一個(gè)周期中，S2控制時(shí)序?yàn)樵谥鏖_關(guān)管 S1關(guān)斷期間適時(shí)導(dǎo)通、關(guān)斷。 圖 PWM斬波電路 圖 PWM斬波電路 圖 PWM斬波電路 圖 PWM斬波電路 圖 PWM斬波電路具有以下優(yōu)點(diǎn) : ?① (a)、 (b)、 (c)電路能實(shí)現(xiàn) S1開通 ZCS和關(guān)斷 ZVS， (d)電路中 S S2均能實(shí)現(xiàn) ZVS開通和關(guān)斷； ?② (a)、 (b)、 (c)電路無(wú)需輔助開關(guān)使得控制簡(jiǎn)單， (d)中電路實(shí)現(xiàn) ZVS、輸入電壓、負(fù)載變化范圍較寬。 ?但圖 路，將會(huì)部分影響系統(tǒng)效率，同時(shí) (a)、(b)、 (c) 中輸入電壓和輸出電流的大范圍變化將部分影響 ZVZCS的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)，而 (d)中輔助開關(guān)也增加了控制難度。 圖 換 (ZVT)斬波電路結(jié)構(gòu) ?圖 (ZVT)斬波電路結(jié)構(gòu)，從圖中可看出，電路增加了輔助開關(guān) S2，在一個(gè)周期中， S2控制時(shí)序?yàn)槌爸鏖_關(guān) S1開通而在 S1，開通時(shí)刻關(guān)斷。 基本型 ZVT斬波電路具有以下優(yōu)點(diǎn) : ? ① 電路實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管 S1開通、關(guān)斷的 ZVS，輔助開關(guān)管 S2開通實(shí)現(xiàn) ZCS，且實(shí)現(xiàn) ZVS、ZCS的輸入電壓、負(fù)載變化范圍較寬 。 ? ② 諧振元件不在功率傳輸?shù)闹骰芈分?，開關(guān)管S1 、 S2的電壓電流應(yīng)力小。 ? 此電路的缺陷在于 : ? ① S2的加入增加了控制難度 。 ? ② S2沒有實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)的軟開關(guān)。 ? ZVZCS Boost斬波電路 ?針對(duì)光伏聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般需要泵升太陽(yáng)能電池輸出電壓以適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)逆變的特點(diǎn)，本節(jié)就圖 (b)中的這種結(jié)構(gòu)和控制均非常簡(jiǎn)單的 ZVZCS Boost型斬波電路進(jìn)行了工作原理和換流分析，并給出了電路的主要參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)原則。 ? 1) 工作原理和換流分析 ?在圖 (b)中， Lr、 D D D CC4構(gòu)成輔助諧振電路，使得開關(guān) S1開通實(shí)現(xiàn) ZCS和關(guān)斷完成 ZVS。在一個(gè)開關(guān)周期中，電路有 8種開關(guān)狀態(tài)。在分析工作原理之前，需要作出如下假設(shè) : ?① 各開關(guān)管、二極管均為理想元件 。 ?② 所有電感、電容均為理想元件 。 ?③ L:電感量很大近似看成電流源 。 CC3電容值很大近似看成電壓源 。 ?④ C4C2， L1Lr，太陽(yáng)能電池輸出電壓為 Vs，輸出側(cè)電壓為 Vo，電感 L1上的平均電流為 IO 圖 Boost斬波電路各點(diǎn)波形 ?圖 ，對(duì)照?qǐng)D ，各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。 ? 2)參數(shù)設(shè)計(jì) ?此電路中，輔助換流電路中諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù) (Lr、 C C4)的合理匹配是實(shí)現(xiàn)開關(guān)管軟開關(guān)的關(guān)鍵。 ?①諧振電感 Lr的設(shè)計(jì) ?從式 (2一 22)可以推出 ?其中， td為開關(guān)管 S1的開通時(shí)間。 ?②諧振電容 C2的設(shè)計(jì) ?從式 (2一 27)分析可得 : ?其中， otff為開關(guān)管 S:的關(guān)斷時(shí)間 （ 226） ?③ 諧振電容 C4的設(shè)計(jì) ? C4的選擇應(yīng)遵循兩個(gè)原則 : ? I、 C4 C2一般滿足 C4 20 C2即可。 ? II、在最小占空比 Dmin時(shí)， Lr、 C4要諧振結(jié)束。即式 2一 26中的 不可太小。 ?在實(shí)際電路中考慮雜散參數(shù)地影響，一般選擇 C4 =(25~50) C2。 ?④ 儲(chǔ)能電感 L1和濾波電容 C3的選擇 ?滿足電感電流連續(xù)和輸出的紋波電壓要求下，主電路中 L1