CN111478612B - 一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括主电路和辅助电路；移相全桥网络经隔离变压器为辅助谐振极电感充能，实现主开关的ZVS；激磁电感中的储能实现辅助开关的ZVS。换流充能相位与复位相位锁定反相关联，实现磁化电流双向复位并减少了磁芯体积。稳压管钳位有效保护辅助换流二极管。本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关和辅助开关的零电压开通，减少了主开关的开关损耗，有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI，此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关；变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管D_c1和D_c2的过压问题。

Description

一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，尤其涉及一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器。

背景技术

电压源型逆变器VSI，本质上是一个全控型开关半桥构成的同步整流型升降压变换器，广泛应用于各种功率等级的应用中，例如：电机驱动器，有源电力滤波器，不间断电源UPS，光伏电源系统，燃料电池电源系统和分布式电网等。其研究核心是提高效率和功率密度。

在硬开关条件下，通常通过增加开关频率减小无源元件的尺寸和重量来提高功率密度，但增加开关频率会导致开关损耗和高频电磁干扰EMI的增加，进而降低逆变器的效率。在VSI中，电路为一个逆变半桥和连在半桥中点的电感；硬开关时，续流模式之后，将要开通的开关管在开通瞬间反并联二极管和输出电容中储存的能量释放到开关管的沟道中从而产生尖峰电流，开通损耗和高频电磁干扰EMI。克服上述问题一种方法是开关器件技术进步，另一种方法是软开关拓扑技术。

宽禁带半导体例如SiC和GaN相对于传统的Si功率半导体有更快的开通和关断时间,更低的关断损耗和更低的寄生电容；但更快的开关时间会造成更大的高频电磁干扰。另外SiC存在栅极开通和关断条件苛刻，成本高等问题。

软开关拓扑技术可以在高开关频率下降低开关损耗和EMI。软开关拓扑是通过增加辅助电路将开关管的电流和电压的过渡沿去耦的方法来降低开关损耗。在众多软开关逆变器拓扑中，辅助谐振极软开关逆变器由于没有额外增加主回路中开关管的电压和电流应力且辅助回路仅在开关管换流时工作不影响主电路的正常运行而受到普遍认可。

已有技术，见IEEE Transactions on Power Electronics杂志2010年第25卷第4期刊登的“An Improved Zero-Voltage Switching Inverter Using Two CoupledMagnetics in One Resonant Pole”一文，该双耦合电感电路可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关并解决了激磁电流不能复位的问题。换流二极管无钳位措施，在谐振电流降至0后会造成换流二极管两端承受电压约为2倍的直流母线电压，且会引起二极管未钳位端电位振荡；已有技术，见IEEE 2013 15th European Conference on PowerElectronics and Applications的New topology of three phase soft switchinginverter using a dual auxiliary circuit一文，可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关通过断开激磁电流的续流路径从而复位磁化电流。但二极管串联在大电流回路上会增加额外的损耗。上述两种方法一个耦合电感只能实现一个主开关管的零电压开通，因此需要在一个辅助电路中使用两个耦合电感，因此增加了变压器的体积、成本和漏感损耗。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，实现了主开关和辅助开关的零电压开通；有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI。

一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第一换流二极管D_c1、第二换流二极管D_c2、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、负载Load、第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2、第一谐振电感L_r1、第二谐振电感L_r2、辅助换流变压器原边绕组T₁、辅助换流变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、第一续流二极管D_x1、第二续流二极管D_x2、第一稳压二极管D_z1、第二稳压二极管D_z2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag、激磁电感L_m。第一主开关管S₁的源极、第二主开关管S₂的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管S₁的漏极，第一换流二极管D_c1的负极，与直流电源V_DC正极相连；直流电源V_DC的负极与第二主开关管S₂的源极，第二换流二极管D_c2的正极相连；负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2的中点相连；第一谐振电感L_r1的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的同名端和第一换流二极管D_c1的正极和第一续流二极管D_x1的负极相连；第一续流二极管D_x1的正极和第一稳压二极管D_z1的正极相连，第一稳压二极管D_z1的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第二谐振电感L_r2的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端和第二换流二极管D_c2的负极、第二稳压二极管D_z2的负极相连；第二续流二极管D_x2的正极和第二稳压二极管D_z2的正极相连，第二续流二极管D_x2的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极、第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的同名端与换流辅助电路的超前桥臂的中点Q点相连，异名端与换流辅助电路的滞后桥臂的中点R点相连；激磁电感L_m并联于辅助换流变压器原边绕组T₁两端；辅助换流变压器副边第一绕组T₂和第二绕组T₃的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与T₂，或T₃，的匝数比为1/n，所述第一续流二极管D_x1和第二续流二极管D_x2的作用是在第一换流二极管D_c1和第二换流二极管D_c2反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T₂—L_r1—D_z1—D_x1—T₂和T₃—D_z2—D_x2—L_r2—T₃。

i_Load为通过负载Load的电流瞬时值，I_Load为通过负载Load的电流的电流有效值，换流电感，即第一谐振电感L_r1和第二谐振电感L_r2，统称为L_r；其流出的电流，即换流电流i_Lr，其峰值中超过负载电流的部分为I_r；

L_r1＝L_r2＝L_r。C_{m_oss}为主开关管S₁、S₂的体寄生电容值；t_i时刻到t_j时刻的时段为T_i-j。

V_DC为主回路电源电压；V_AUX为辅助电源电压；T_{1A_min}为S_a4可ZVS开通的最短时间；即负载电流为零时的情况；T_3-B为S₁或S₂可ZVS开通的最短时间，即负载电流为零时的情况；辅助开关管S_a1-S_a4的体寄生电容为C_a1-C_a4，其电容值相同，使用C_{a_oss}表示；主开关管S₁-S₂的体寄生电容为C₁-C₂，其电容值相同，使用C_{m_oss}表示:C_{m_oss}＝C₁＝C₂，C_{a_oss}＝C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4。

V′_AUX为辅助电源在变压器副边的等效电压；L_r为换流电感；L_m为激磁电感；I_{Lm_0}为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值正相关。

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₂、S_a1、S_a3处于导通状态，S₁、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作。t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DP1,导通S_a4；

S_a4导通后延迟DP2,关断S₂；

S₂关断后延迟DP3,关断S_a1；

S_a1关断后延迟DP4,导通S_a2；

S_a2导通后延迟DP5,导通S₁；

S₁导通后，延迟S₁的导通时间，关断S₁；

S₁关断后延迟DP6，导通S₂；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DP1+DP2+DP3+DP4+DP5+DP6。关断S_a4；

S_a4关断后延迟DP7,导通S_a3；

S_a3导通后延迟DP8,关断S_a2；

关断S_a2延迟DP9，导通S_a1；

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₁、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作。t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DN1,导通S_a4；

S_a4导通后延迟DN2,关断S₁；

S₁关断后延迟DN3,关断S_a1；

S_a1关断后延迟DN4,导通S_a2；

S_a2导通后延迟DN5,导通S₂；

S₂导通后，延迟S₂的导通时间，关断S₂；

S₂关断后延迟DN6，导通S₁；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DN1+DN2+DN3+DN4+DN5+DN6。关断S_a4；

S_a4关断后延迟DN7,导通S_a3；

S_a3导通后延迟DN8,关断S_a2；

关断S_a2延迟DN9，导通S_a1；

其中，β为自定义约束

其中T_{13_min}为忽略换流电感充电前的电流变化后，i_Load＝0时，t₁时刻到t₃时刻的时间间隔；T_{1A_min}为负载电流为0时，S_a4的ZVS允许开通时间T_1-A的值，T_1-A为t₁时刻到t_A时刻之间的时段。

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₂处于导通状态；负载电流I_Load通过S₂续流；S_a1、S_a3导通，激磁电流i_Lm通过S_a1、S_a3续流,其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降，换流电流i_Lr从零开始增加；激磁电流i_Lm向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr:

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，V_AUX为辅助电源电压。根据(23)，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为:

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件，激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DP1为：

t₁-t₂时段内换流电流为：

其中：V′_AUX为变压器副边电压；

t₂时刻，换流电流的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (33)

其中：I_r为换流电流峰值中超过负载电流的部分

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₂关断时间间隔DP2为：

模式4，t₂-t₃:t₂时刻，主开关S₂关断，换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₁放电C₂充电，O点的电位开始谐振上升；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位上升至V_DC-V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₂关断到S_a1关断时间间隔DP3为：

DP3＝T_2-3 (41)

模式5，t₃-t₅:t₃时刻，O点电位升至V_DC-V′_AUX,关断S_a1,激磁电流增至

激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DP4为：

DP4＝T_3-4 (43)

模式6，t₅-t₆:在t₅时刻，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通，S₁符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流i_Lr降至负载电流i_Load；主开关管S₁可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；

t₅时刻，O点电位上升至V_DC；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₁可实现零电压开通的时间段T_5-B：

S_a2导通到S₁导通时间间隔DP5为：

模式7，t₆-t₈:t_B-t₆由PWM控制需要确定,t₆时刻，关断S₁，负载电流i_Load对C₁充电，C₂放电，O点电位线性下降；t₇时刻,O点电位降至0，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通；S₂可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₁关断到S₂导通时间间隔DP6为：

DP6＝T_6-7 (48)

模式8，t₈-t₉:t₈时刻，关断S_a4，激磁电流对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流i_Lm表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀:t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件，t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DP7为：

t₁₀时刻，激磁电流i_Lm减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DP8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻,关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DP9为：

DP9＝T_10-11 (59)

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₁处于导通状态；负载电流通过S₁续流，S_a1、S_a3导通，激磁电流通过S_a1、S_a3续流,其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降；换流电流从零开始增加；激磁电流向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr:

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，V_AUX为辅助电源电压。根据(23)，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为:

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DN1为:

t₁-t₂时段之间的换流电流为：

其中：V′_AUX为变压器副边电压；

t₂时刻，换流电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (70)

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₁关断时间间隔DN2为：

模式4，t₂-t₃:t₂时刻，主开关S₁关断；换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₂放电C₁充电，O点的电位开始谐振下降；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位下降至V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₁关断到S_a1关断时间间隔DN3为：

DN3＝T_2-3 (78)

模式5，t₃-t₅:t₃时刻，O点电位降至V′_AUX,关断S_a1,激磁电流增至

激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DN4为：

DN4＝T_3-4 (80)

模式6，t₅-t₆:在t₅时刻，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通，S₂符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流降至负载电流i_Load；主开关管S₂可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；

t₅时刻，O点电位下降至0；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₂可实现零电压开通的时间段T_5-B为：

S_a2导通到S₂导通时间间隔DN5为：

模式7，t₆-t₈:t_B-t₆由PWM控制需要确定,t₆时刻，关断S₂，负载电流i_Load对C₂充电，C₁放电，O点电位线性上升；t₇时刻,O点电位升至V_DC，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通；S₁可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₂关断到S₂导通时间间隔DN6为：

DN6＝T_6-7 (85)

模式8，t₈-t₉:t₈时刻，关断S_a4，激磁电流i_Lm对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流i_Lm表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀:t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件,t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DN7为：

t₁₀时刻，激磁电流i_Lm减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DN8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻,关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DN9为：

DN9＝T_10-11 (96)

由以上电路结构和工作原理的分析可知，主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容；辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感。

当V′_AUX小于V_DC/2时，在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S₂保证开关管可靠完成换流；且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比，因此S₂的关断电流在满足式(97)时，主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10)：

其中I_{Load_rms}为负载电流有效值；

在实际的电路运行过程中，负载电流检测存在误差，导致I_r的误差，影响换流时间T_2-3和S₁的ZVS开通时间T_3-B，主开关的死区时间可以为一固定值β；

β的取值范围为：

为保证滞后臂能可靠换流且S_a4有足够得ZVS开通时间：

为保证磁化电流在换流电感L_r线性放电阶段后(t＝t₄)与谐振电感L_r线性充电阶段前(t＝t₁)大小相等，方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化)：

其中T_1-3为负载不同时的t₁-t₃的时间间隔，因此每个开关周期的

不同；当负载电流为0时，

和T_1-A值最小，在此条件下计算出的L_m符合任何负载电流大于0时S_a4有足够得ZVS开通时间的要求；

i_Load＝0时t₁-t₃的时间间隔:

T_1-3＝T_{13_min} (104)

其中T_{1A_min}为负载电流为0时，S_a4 ZVS开通时间T_1A的值。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关和辅助开关的零电压开通，减少了主开关的开关损耗，有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI，此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关；并在每个开关周期都可靠地实现了磁化电流复位，有效的减小了变压器的体积；变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管D_c1和D_c2的过压问题。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1是已有技术的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路；

图2是已有技术的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路；

图3是本发明的相位关联稳压管钳位磁化电流双向复位的辅助谐振换流极逆变器电路；

图4是第一换流二极管(D_c1)反向恢复电流的续流路径；

图5是第二换流二极管(D_c2)反向恢复电流的续流路径；

图6为本发明电路在输出电流为正时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图；

图7为本发明电路在输出电流为负时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图；

图8是本发明中，一个PWM开关周期内模式2等效电路图；

图9是本发明中，一个PWM开关周期内模式3等效电路图；

图10是本发明中，一个PWM开关周期内模式4等效电路图；

图11是本发明中，一个PWM开关周期内模式8等效电路图；

图12为本发明电路在输出电流为正时，一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形图；

图13本发明电路在输出电流为负时，一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和电流的波形图。

具体实施方式

如图1到图13所示，本发明提供的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第一换流二极管D_c1、第二换流二极管D_c2、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、负载Load、第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2、第一谐振电感L_r1、第二谐振电感L_r2、辅助换流变压器原边绕组T₁、辅助换流变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、第一续流二极管D_x1、第二续流二极管D_x2、第一稳压二极管D_z1、第二稳压二极管D_z2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag、激磁电感L_m。第一主开关管S₁的源极、第二主开关管S₂的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管S₁的漏极，第一换流二极管D_c1的负极，与直流电源V_DC正极相连；直流电源V_DC的负极与第二主开关管S₂的源极，第二换流二极管D_c2的正极相连；负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2的中点相连；第一谐振电感L_r1的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的同名端和第一换流二极管D_c1的正极和第一续流二极管D_x1的负极相连；第一续流二极管D_x1的正极和第一稳压二极管D_z1的正极相连，第一稳压二极管D_z1的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第二谐振电感L_r2的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端和第二换流二极管D_c2的负极、第二稳压二极管D_z2的负极相连；第二续流二极管D_x2的正极和第二稳压二极管D_z2的正极相连，第二续流二极管D_x2的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极、第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的同名端与换流辅助电路的超前桥臂的中点Q点相连，异名端与换流辅助电路的滞后桥臂的中点R点相连；激磁电感L_m并联于辅助换流变压器原边绕组T₁两端；辅助换流变压器副边第一绕组T₂和第二绕组T₃的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与T₂，或T₃，的匝数比为1/n，所述第一续流二极管D_x1和第二续流二极管D_x2的作用是在第一换流二极管D_c1和第二换流二极管D_c2反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T₂—L_r1—D_z1—D_x1—T₂和T₃—D_z2—D_x2—L_r2—T₃。

i_Load为通过负载Load的电流瞬时值，I_Load为通过负载Load的电流的电流有效值，换流电感，即第一谐振电感L_r1和第二谐振电感L_r2，统称为L_r；其流出的电流，即换流电流i_Lr，其峰值中超过负载电流的部分为I_r；C_{m_oss}为主开关管S₁、S₂的体寄生电容值；t_i时刻到t_j时刻的时段为T_i-j。

V_DC为主回路电源电压；V_AUX为辅助电源电压；T_{1A_min}为S_a4可ZVS开通的最短时间；即负载电流为零时的情况；T_3-B为S₁或S₂可ZVS开通的最短时间，即负载电流为零时的情况；辅助开关管S_a1-S_a4的体寄生电容为C_a1-C_a4，其电容值相同，使用C_{a_oss}表示；主开关管S₁-S₂的体寄生电容为C₁-C₂，其电容值相同，使用C_{m_oss}表示:C_{m_oss}＝C₁＝C₂，C_{a_oss}＝C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4。

V′_AUX为辅助电源在变压器副边的等效电压；L_r为换流电感；L_m为激磁电感；

为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值正相关；

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₂、S_a1、S_a3处于导通状态，S₁、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作。t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DP1,导通S_a4；

S_a4导通后延迟DP2,关断S₂；

S₂关断后延迟DP3,关断S_a1；

S_a1关断后延迟DP4,导通S_a2；

S_a2导通后延迟DP5,导通S₁；

S₁导通后，延迟S₁的导通时间，关断S₁；

S₁关断后延迟DP6，导通S₂；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DP1+DP2+DP3+DP4+DP5+DP6。关断S_a4；

S_a4关断后延迟DP7,导通S_a3；

S_a3导通后延迟DP8,关断S_a2；

关断S_a2延迟DP9，导通S_a1；

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₁、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作。t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DN1,导通S_a4；

S_a4导通后延迟DN2,关断S₁；

S₁关断后延迟DN3,关断S_a1；

S_a1关断后延迟DN4,导通S_a2；

S_a2导通后延迟DN5,导通S₂；

S₂导通后，延迟S₂的导通时间，关断S₂，关断S₂；

S₂关断后延迟DN6，导通S₁；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DN1+DN2+DN3+DN4+DN5+DN6。关断S_a4；

S_a4关断后延迟DN7,导通S_a3；

S_a3导通后延迟DN8,关断S_a2；

关断S_a2延迟DN9，导通S_a1；

以下参数均为输入量：V_DC为主回路电源电压；V_AUX为辅助电源电压；T_{1A_min}为S_a4可ZVS开通的最短时间；即负载电流为零时的情况；T_3-B为S₁或S₂可ZVS开通的最短时间，即负载电流为零时的情况；换流电感流出的电流，即换流电流i_Lr，其峰值中超过负载电流的部分为I_r；辅助开关管S_a1-S_a4的体寄生电容与外部并联吸收电容C_a1-C_a4取值相同，之后公式中使用C_{a_oss}表示；主开关管S₁-S₂的体寄生电容与外部并联吸收电容C₁-C₂取值相同，之后公式中使用C_{m_oss}表示:C_{m_oss}＝C₁＝C₂，C_{a_oss}＝C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4。

V′_AUX为变压器副边电压；L_r为换流电感；L_m为激磁电感；

为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正比；

其中，β为自定义约束

其中T_{13_min}为忽略换流电感充电前的电流变化后，i_Load＝0，t₁时刻到t₃时刻的时间间隔；T_{1A_min}为负载电流为0时，S_a4的ZVS允许开通时间T_1-A的值，T_1-A为t₁时刻到t_A时刻之间的时段。

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₂处于导通状态；负载电流I_Load通过S₂续流；S_a1、S_a3导通，激磁电流i_Lm通过S_a1、S_a3续流,其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降，换流电流i_Lr从零开始增加；激磁电流i_Lm向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr:

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，V_AUX为辅助电源电压，根据(23)，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为:

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件，激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DP1为：

t₁-t₂时段内换流电流为：

其中：V′_AUX为变压器副边电压；

t₂时刻，换流电流的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (138)

其中：I_r为换流电流峰值中超过负载电流的部分

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₂关断时间间隔DP2为：

模式4，t₂-t₃:t₂时刻，主开关S₂关断，换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₁放电C₂充电，O点的电位开始谐振上升；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位上升至V_DC-V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₂关断到S_a1关断时间间隔DP3为：

DP3＝T_2-3 (146)

模式5，t₃-t₅:t₃时刻，O点电位升至V_DC-V′_AUX,关断S_a1,激磁电流增至

激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DP4为：

DP4＝T_3-4 (148)

模式6，t₅-t₆:在t₅时刻，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通，S₁符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流

降至负载电流i_Load；主开关管S₁可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；t₅时刻，O点电位上升至V_DC；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₁可实现零电压开通的时间段T_5-B：

S_a2导通到S₁导通时间间隔DP5为：

模式7，t₆-t₈:t_B-t₆由PWM控制需要确定,t₆时刻，关断S₁，负载电流i_Load对C₁充电，C₂放电，O点电位线性下降；t₇时刻,O点电位降至0，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通；S₂可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₁关断到S₂导通时间间隔DP6为：

DP6＝T_6-7 (153)

模式8，t₈-t₉:t₈时刻，关断S_a4，激磁电流对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流

表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀:t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件，t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DP7为：

t₁₀时刻，激磁电流

减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DP8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻,关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DP9为：

DP9＝T_10-11 (164)

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₁处于导通状态；负载电流通过S₁续流，S_a1、S_a3导通，激磁电流通过S_a1、S_a3续流,其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降；换流电流从零开始增加；激磁电流向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr:

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，V_AUX为辅助电源电压，根据(23)，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为:

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DN1为:

t₁-t₂时段之间的换流电流为：

其中：V′_AUX为变压器副边电压；

t₂时刻，换流电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (175)

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₁关断时间间隔DN2为：

模式4，t₂-t₃:t₂时刻，主开关S₁关断；换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₂放电C₁充电，O点的电位开始谐振下降；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位下降至V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₁关断到S_a1关断时间间隔DN3为：

DN3＝T_2-3 (183)

模式5，t₃-t₅:t₃时刻，O点电位降至V′_AUX,关断S_a1,激磁电流增至I_Lm-0；激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DN4为：

DN4＝T_3-4 (185)

模式6，t₅-t₆:在t₅时刻，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通，S₂符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流降至负载电流i_Load；主开关管S₂可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；

t₅时刻，O点电位下降至0；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₂可实现零电压开通的时间段T_5-B为：：

S_a2导通到S₂导通时间间隔DN5为：

模式7，t₆-t₈:t_B-t₆由PWM控制需要确定,t₆时刻，关断S₂，负载电流i_Load对C₂充电，C₁放电，O点电位线性上升；t₇时刻,O点电位升至V_DC，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通；S₁可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₂关断到S₂导通时间间隔DN6为：

DN6＝T_6-7 (190)

模式8，t₈-t₉:t₈时刻，关断S_a4，激磁电流i_Lm对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流

表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀:t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件,t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DN7为：

t₁₀时刻，激磁电流

减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DN8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻,关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DN9为：

DN9＝T_10-11 (201)

由以上电路结构和工作原理的分析可知，主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容；辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感。

当V′_AUX小于V_DC/2时，在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S₂保证开关管可靠完成换流；且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比，因此S₂的关断电流在满足式(97)时，主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10)：

其中I_{Load_rms}为负载电流有效值；

在实际的电路运行过程中，负载电流检测存在误差，导致I_r的误差，影响换流时间T_2-3和S₁的ZVS开通时间T_3-B，式(39)和(41)求和之后对I_r求导，当I_r满足公式(98)的时主开关的死区时间可以为一固定值β；

联立(41),(97),(98)：

由(98)，(99)得：

其中由(98)有解可得β的取值范围为：

为保证滞后臂能可靠换流且S_a4有足够得ZVS开通时间，联立(27)(28)(30)得：

为保证磁化电流在换流电感L_r线性放电阶段后(t＝t₄)与谐振电感L_r线性充电阶段前(t＝t₁)大小相等，方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化)：

其中T_1-3为负载不同时的t₁-t₃的时间间隔，因此每个开关周期的

不同；当负载电流为0时，

和T_1-A值最小，在此条件下计算出的L_m符合任何负载电流大于0时S_a4有足够得ZVS开通时间的要求；

将i_Load＝0代入式(34)(39)(43)之和所得的t₁-t₃的时间间隔：

T_1-3＝T_{13_min} (209)

由(104)得：

其中T_{1A_min}为负载电流为0时，S_a4 ZVS开通时间T_1A的值。

辅助换流变压器T_X由一个匝数为N1的原边绕组T₁，两个匝数分别为N2、N3的副边绕组T₂、T₃的理想变压器和励磁电感L_m组成；

以下分别对电流由O点流出通过负载Load和电流流入O点通过负载Load两种情况进行分析。由于负载电感足够大，所以认为在一个PWM开关周期内负载电流恒定不变。

输入参数如表1所示：

输入DC电压(V<sub>DC</sub>)	400V
		辅助电压(V<sub>AUX</sub>)	20V
开关频率(f<sub>sw</sub>)	20KHz
		C<sub>m_oss</sub>	100pF
C<sub>a_oss</sub>	1000pF
		I<sub>γ</sub>	2A
T<sub>1A</sub>	10ns
		T<sub>3B</sub>	10ns

表1

根据输入参数的约束计算出的电感和变压器具体值如表2

换流电感(L<sub>r</sub>)	4.21uH
		激磁电感(L<sub>m</sub>)	954nH
变压器副边电压(V′<sub>AUX</sub>)	60V

表2

各持续时间和

与负载电流的关系如下：

DP3＝DN3＝T_2-3＝23.5ns (214)

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第一换流二极管D_c1、第二换流二极管D_c2、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、负载Load、第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2、第一谐振电感L_r1、第二谐振电感L_r2、辅助换流变压器原边绕组T₁、辅助换流变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、第一续流二极管D_x1、第二续流二极管D_x2、第一稳压二极管D_z1、第二稳压二极管D_z2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag、激磁电感L_m；第一主开关管S₁的源极、第二主开关管S₂的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管S₁的漏极，第一换流二极管D_c1的负极，与直流电源V_DC正极相连；直流电源V_DC的负极与第二主开关管S₂的源极，第二换流二极管D_c2的正极相连；负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容C_d1和第二分压电容C_d2的中点相连；第一谐振电感L_r1的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的同名端和第一换流二极管D_c1的正极和第一续流二极管D_x1的负极相连；第一续流二极管D_x1的正极和第一稳压二极管D_z1的正极相连，第一稳压二极管D_z1的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第二谐振电感L_r2的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端和第二换流二极管D_c2的负极、第二稳压二极管D_z2的负极相连；第二续流二极管D_x2的正极和第二稳压二极管D_z2的正极相连，第二续流二极管D_x2的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极、第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的同名端与换流辅助电路的超前桥臂的中点Q点相连，异名端与换流辅助电路的滞后桥臂的中点R点相连；激磁电感L_m并联于辅助换流变压器原边绕组T₁两端；辅助换流变压器副边第一绕组T₂和第二绕组T₃的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与T₂，或T₃，的匝数比为1/n，所述第一续流二极管D_x1和第二续流二极管D_x2的作用是在第一换流二极管D_c1和第二换流二极管D_c2反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T₂—L_r1—D_z1—D_x1—T₂和T₃—D_z2—D_x2—L_r2—T₃。

2.根据权利要求1所述的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：

i_Load为通过负载Load的电流瞬时值，I_Load为通过负载Load的电流有效值；换流电感，即第一谐振电感L_r1和第二谐振电感L_r2，统称为L_r，其流出的电流为换流电流i_Lr，换流电流峰值中超过负载电流的部分为I_r；L_r1＝L_r2＝L_r；t_i时刻到t_j时刻的时段为T_i-j；

V_DC为主回路电源电压；V_AUX为辅助电源电压；T_{1A_min}为S_a4可ZVS开通的最短时间，即负载电流为零时的情况；T_3-B为S₁或S₂可ZVS开通的最短时间，即负载电流为零时的情况；辅助开关管S_a1-S_a4的体寄生电容为C_a1-C_a4，其电容值相同，使用C_{a_oss}表示；主开关管S₁-S₂的体寄生电容为C₁-C₂，其电容值相同，使用C_{m_oss}表示：C_{m_oss}＝C₁＝C₂，C_{a_oss}＝C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4；

V′_AUX为辅助电源在变压器副边的等效电压；L_m为激磁电感；

为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值正相关；

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₂、S_a1、S_a3处于导通状态，S₁、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作，t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DP1，导通S_a4；

S_a4导通后延迟DP2，关断S₂；

S₂关断后延迟DP3，关断S_a1；

S_a1关断后延迟DP4，导通S_a2；

S_a2导通后延迟DP5，导通S₁；

S₁导通后，延迟S₁的导通时间，关断S₁；

S₁关断后延迟DP6，导通S₂；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DP1+DP2+DP3+DP4+DP5+DP6；关断S_a4；

S_a4关断后延迟DP7，导通S_a3；

S_a3导通后延迟DP8，关断S_a2；

关断S_a2延迟DP9，导通S_a1；

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，工作模式及切换时间间隔为：

t₀时刻之前，电路处于稳定状态，S₁、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S_a2、S_a4处于关断状态；换流二极管D_c1、D_c2、续流二极管D_x1、D_x2、稳压二极管D_z1、D_z2和所有开关管的反并联二极管处于关断状态；

从t₀时刻开始工作，t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟DN1，导通S_a4；

S_a4导通后延迟DN2，关断S₁；

S₁关断后延迟DN3，关断S_a1；

S_a1关断后延迟DN4，导通S_a2；

S_a2导通后延迟DN5，导通S₂；

S₂导通后，延迟S₂的导通时间，关断S₂；

S₂关断后延迟DN6，导通S₁；

从t₀时刻，即S_a3关断后，延迟主回路整个开关周期时间的一半，此段时间根据主回路运行需求而定，应大于DN1+DN2+DN3+DN4+DN5+DN6，关断S_a4；

S_a4关断后延迟DN7，导通S_a3；

S_a3导通后延迟DN8，关断S_a2；

关断S_a2延迟DN9，导通S_a1；

其中，β为自定义约束

其中T_{13_min}为忽略换流电感充电前的电流变化后，i_Load＝0时，t₁时刻到t₃时刻的时间间隔；T_{1A_min}为负载电流为0时，S_a4的ZVS允许开通时间T_1-A的值，T_1-A为t₁时刻到t_A时刻之间的时段；

当电流从O点流向C_d1和C_d2的中点，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₂处于导通状态；负载电流i_Load通过S₂续流；S_a1、S_a3导通，激磁电流i_Lm通过S_a1、S_a3续流，其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降，换流电流i_Lr从零开始增加；激磁电流i_Lm向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr：

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，根据(23)，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为：

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件，激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DP1为：

t₁-t₂时段内换流电流为：

t₂时刻，换流电流的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (33)

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₂关断时间间隔DP2为：

模式4，t₂-t₃：t₂时刻，主开关S₂关断，换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₁放电C₂充电，O点的电位开始谐振上升；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位上升至V_DC-V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₂关断到S_a1关断时间间隔DP3为：

DP3＝T_2-3 (41)

模式5，t₃-t₅：t₃时刻，O点电位升至V_DC-V′_AUX，关断S_a1，激磁电流增至

激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DP4为：

DP4＝T_3-4 (43)

模式6，t₅-t₆：在t₅时刻，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通，S₁符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流i_Lr降至负载电流i_Load；主开关管S₁可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；

t₅时刻，O点电位上升至V_DC；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₁可实现零电压开通的时间段T_5-B：

S_a2导通到S₁导通时间间隔DP5为：

模式7，t₆-t₈：t_B-t₆由PWM控制需要确定，t₆时刻，关断S₁，负载电流i_Load对C₁充电，C₂放电，O点电位线性下降；t₇时刻，O点电位降至0，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通；S₂可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₁关断到S₂导通时间间隔DP6为：

DP6＝T_6-7 (48)

模式8，t₈-t₉：t₈时刻，关断S_a4，激磁电流对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流i_Lm表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀：t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件，t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DP7为：

t₁₀时刻，激磁电流i_Lm减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DP8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻，关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DP9为：

DP9＝T_10-11 (59)

当电流从C_d1和C_d2的中点流向O点，通过负载Load时，各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：

模式1，t<t₀：电路处于稳定状态，S₁处于导通状态；负载电流通过S₁续流，S_a1、S_a3导通，激磁电流通过S_a1、S_a3续流，其值为

模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关断S_a3；换流电感L_r通过变压器，和激磁电感L_m并联后与辅助电容C_a3、C_a4发生谐振，R点电位下降；换流电流从零开始增加；激磁电流向正方向变化；

本模式S_a3两端电压v_Sa3和原边绕组电流

表达式为：

根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电流i_Lm和换流电流i_Lr：

其中ω_a为谐振角频率：

在t₁时刻，S_a3两端电压谐振到V_AUX，t₀时刻到t₁时刻持续的时间为：

模式3，t₁-t₂：t₁时刻，R点电位降至0，辅助开关S_a4的反并联二极管D_a4自然导通，S_a4达到ZVS换流条件；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；t_A时刻，原边绕组电流减少至零，S_a4可在t₁时刻到t_A时刻的时间段T_1-A内，控制导通；

本模式原边绕组电流为：

第四辅助开关管S_a4的零电压开通时间为：

S_a3关断到S_a4导通时间间隔DN1为：

t₁-t₂时段之间的换流电流为：

t₂时刻，换流电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Load (70)

T_1-2的持续时间为：

S_a4导通到S₁关断时间间隔DN2为：

模式4，t₂-t₃：t₂时刻，主开关S₁关断；换流电流峰值中超过负载电流的部分I_r对电容C₂放电C₁充电，O点的电位开始谐振下降；

O点电位v_O和换流电流i_Lr表达式为：

其中：

t₃时刻，O点电位下降至V′_AUX；本模式持续时间为：

其中：

S₁关断到S_a1关断时间间隔DN3为：

DN3＝T_2-3 (78)

模式5，t₃-t₅：t₃时刻，O点电位降至V′_AUX，关断S_a1，激磁电流增至

激磁电流对C_a1充电C_a2放电，Q点电位开始近似线性下降；t₄时刻，Q点电位降到0，辅助开关S_a2的反并联二极管D_a2自然导通；

t₃-t₄持续时间为：

S_a1关断到S_a2导通时间间隔DN4为：

DN4＝T_3-4 (80)

模式6，t₅-t₆：在t₅时刻，主开关S₂的反并联二极管D₂自然导通，S₂符合ZVS换流条件；换流电流线性下降，t_B时刻，换流电流降至负载电流i_Load；主开关管S₂可在时间段t₅-t_B之间控制导通实现ZVS导通；

t₅时刻，O点电位下降至0；t₂到t₅的时间段T_2-5为：

开关S₂可实现零电压开通的时间段T_5-B为：

S_a2导通到S₂导通时间间隔DN5为：

模式7，t₆-t₈：t_B-t₆由PWM控制需要确定，t₆时刻，关断S₂，负载电流i_Load对C₂充电，C₁放电，O点电位线性上升；t₇时刻，O点电位升至V_DC，主开关S₁的反并联二极管D₁自然导通；S₁可在t₇之后控制导通；

t₆-t₇持续时间为：

S₂关断到S₁导通时间间隔DN6为：

DN6＝T_6-7 (85)

模式8，t₈-t₉：t₈时刻，关断S_a4，激磁电流i_Lm对C_a4充电C_a3放电，R点电位开始上升；

R点电位v_R和电流i_Lm表达式为：

其中：

在t₉时刻，R点电位谐振至V_AUX，本模式持续时间为：

模式9，t₉-t₁₀：t₉时刻，R点电位升至V_AUX，辅助开关S_a3的反并联二极管D_a3自然导通，S_a3达到ZVS换流条件，t_C时刻，激磁电流减少至零；S_a3可在t₉时刻到t_C时刻的时间段T_9-C内，控制导通；

本模式激磁电流为：

S_a3的零电压开通时间为：

S_a4关断到S_a3导通时间间隔DN7为：

t₁₀时刻，激磁电流i_Lm减小至

本模式持续时间为：

S_a3导通到S_a2关断时间间隔DN8为：

模式10，t₁₀-t₁₁：t₁₀时刻，关断S_a2；辅助换流变压器激磁电流

对C_a2充电C_a1放电，Q点电位近似线性上升；t₁₁时刻，Q点电位升至V_AUX，辅助开关S_a1的反并联二极管D_a1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S_a1；

本模式持续时间为：

S_a2关断到S_a1导通时间间隔DN9为：

DN9＝T_10-11 (96)。

Images