新型兩相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的研究

1、歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站新型兩相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的研究歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    摘要：把零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)和多相變換技術(shù)相結(jié)合就可獲得一簇新型多相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器。這些變換器具有高性能和高功率密度。主要分析了兩相Boost零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時(shí)的諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：零電壓轉(zhuǎn)換；多相變換器；高功率密度 1    概述   &

2、#160; 通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可獲得高性能和高功率密度功率變換器，但傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)PWM變換器工作在高頻時(shí)開(kāi)關(guān)損耗很大。因此，硬開(kāi)關(guān)PWM變換器的應(yīng)用具有局限性。為此，人們提出了用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗，大多數(shù)軟開(kāi)關(guān)變換器是以大幅度地增加開(kāi)關(guān)器件的電壓或電流應(yīng)力為代價(jià)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗的，這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗顯著增加。在零轉(zhuǎn)換PWM變換器1中，輔助電路在很寬的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)以最小的電壓和電流應(yīng)力為主開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)關(guān)，這使得ZVTPWM變換器在中大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。     獲得高性能和高功率密度功率變換器的另一種方法是采用多相技術(shù)。輸入電感交錯(cuò)工作

3、時(shí)，對(duì)于n相變換器來(lái)說(shuō)，輸入和輸出濾波電容的工作頻率提高了n倍，因此，使輸入和輸出濾波器中電容保持很小的電流紋波；并且可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。如果將ZVT和多相變換技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就可以得到更好的動(dòng)態(tài)性能和更高功率密度的功率變換器。簡(jiǎn)單地將多相技術(shù)和ZVT變換器結(jié)合起來(lái)的ZVT多相變換器是非常復(fù)雜的。因?yàn)橐粋€(gè)n相的ZVT變換器需要n個(gè)輔助電路。幾種基本的兩相ZVT PWM變換器2如圖1所示。這些變換器中只包含了一個(gè)有源開(kāi)關(guān)的輔助電路通過(guò)n個(gè)二極管交替地為所有相的主開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)通條件。本文主要分析了兩相Boost ZVT PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時(shí)的仿真結(jié)

4、果和諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)。 2    工作原理     兩相Boost ZVT PWM變換器如圖1（c）所示。     在進(jìn)行討論之前，作如下幾點(diǎn)假設(shè)：     所有元器件都是理想的；     輸入濾波電感足夠大，故在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電壓源Vin及輸入濾波電感Lf1，Lf2可用一恒 值 電 流 源Iin1，Iin2代 替 ；     輸 出 濾 波 電 容 足 夠 大 ， 故 在 一 個(gè) 開(kāi) 關(guān) 周 期 中 ，Cf，R

5、1可 用 一 恒 值 電 壓 源Vo代 替 。 (a)    Buck (b)    Buck- Boost (c)    Boost (d)    Cuk 圖1    基本的兩相ZVTPWM變換器 2.1    D>0.5時(shí)的工作原理     設(shè)初始狀態(tài)為主功率開(kāi)關(guān)管S1及輔助開(kāi)關(guān)管Sr均為關(guān)斷狀態(tài)，主功率開(kāi)關(guān)管S2和升壓二極管D1處于導(dǎo)通狀態(tài)。vc1(t0)=Vo，iLr(t0

6、)=0，vc2(t0)=0。     圖2為各主要變量的理論穩(wěn)態(tài)波形圖，圖3為該變換器在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路。各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。 圖2    D >0.5時(shí) 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩(wěn) 態(tài) 波 形 (a)模 態(tài)1                       &

7、#160;        (b)模 態(tài)2 (c)模 態(tài)3                                (d)模 態(tài)4 (e)模 態(tài)5      

8、;                          (f)模 態(tài)6 (g)模 態(tài)7                      &

9、#160;         (h)模 態(tài)8 圖3     D>0.5時(shí) 的 半 個(gè) 開(kāi) 關(guān) 周 期 中 的 不 同 開(kāi) 關(guān) 狀 態(tài) 下 的 等 效 電 路     1）模態(tài)1t0t1    對(duì)應(yīng)于圖3（a），在t0時(shí)刻Sr導(dǎo)通，諧振電感Lr中的電流從0開(kāi)始線性上升，其上升斜率為diLr/dt=vo/Lr，升壓二極管D1的電流開(kāi)始減小。在t1時(shí)刻通過(guò)電感Lr的電流上升到Iin1，升壓二極管D1的電流減小到0，D1

10、自然關(guān)斷，模態(tài)1結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為：t01=LrIin1/Vo。     2）模態(tài)2t1t2    對(duì)應(yīng)于圖3（b），在t1時(shí)刻升壓二極管D1關(guān)斷，Lr與C1開(kāi)始諧振。電感Lr中的電流繼續(xù)上升，而電容C1開(kāi)始放電。iLr和vC1分別為     iLr(t)=Iin1sinr(tt1)vC1=Vocosr(tt1) 式中：r=；       zr=；       Cr=C1=C2。  

11、0;  在t2時(shí)刻C1的電壓下降到0，電感Lr1中的電流為iLr(t2)=Iin1Vo/Zr，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為：t12=。     3）模態(tài)3t2t3    對(duì)應(yīng)于圖3（c），在t2時(shí)刻如果Vo/Zr<Iin2時(shí)，電感Lr中的電流一部分流過(guò)Iin1和Dr1續(xù)流，另外一部分流過(guò)Iin2和Dr2續(xù)流，則通過(guò)主開(kāi)關(guān)管S2中的電流小于Iin2。反之，電感Lr中的電流一部分流過(guò)Iin1和Dr1續(xù)流，另外一部分流過(guò)S1和S2的反并二極管Ds1和Ds2續(xù)流，is2出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)開(kāi)通S1就是零電壓開(kāi)通。S1的開(kāi)通時(shí)刻應(yīng)該

12、滯后于Sr開(kāi)通，滯后時(shí)間為     td>t01t12=。     4）模態(tài)4t3t4    對(duì)應(yīng)于圖3（d），在t3時(shí)刻Sr關(guān)斷，iLr線性減小。在t4時(shí)刻iLr線性減小到Iin1時(shí)，模態(tài)4結(jié)束。     5）模態(tài)5t4t5    對(duì)應(yīng)于圖3（e），在該模態(tài)中iLr繼續(xù)線性減小，S1中的電流線性上升。在t5時(shí)刻S1中的的電流上升到Iin1，Lr中的電流減小到0，模態(tài)5結(jié)束。     6）模態(tài)6t5t6

13、0;   對(duì)應(yīng)于圖3（f），在該模態(tài)中S1和S2同時(shí)導(dǎo)通工作，直到主開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷，模態(tài)6結(jié)束。     7）模態(tài)7t6t7    對(duì)應(yīng)于圖3（g），在t6時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷，輸入電流Iin2給電容C2恒流充電，C2的電壓從零開(kāi)始線性上升，vC2=(tt8)。所以S2是零電壓關(guān)斷。在t9時(shí)刻C2的電壓達(dá)到Vo，模態(tài)7結(jié)束。     8）模態(tài)8t7t8    對(duì)應(yīng)于圖3（h），在該模態(tài)中主功率開(kāi)關(guān)管S1和升壓二極管D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，主功率開(kāi)關(guān)管S2和升壓

14、二極管D1均為關(guān)斷狀態(tài)，在t8時(shí)刻輔助開(kāi)關(guān)管Sr再次導(dǎo)通，開(kāi)始另一半開(kāi)關(guān)周期的工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。 2.2    D0.5時(shí)的工作原理     設(shè)初始狀態(tài)為主功率開(kāi)關(guān)管S1和S2及輔助開(kāi)關(guān)管Sr均為關(guān)斷狀態(tài)，升壓二極管D1，D2處于導(dǎo)通狀態(tài)。vc1(t0)=vc2(t0)=Vo，iLr(t0)=0。     當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，每半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有十個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)。圖4為各主要變量的理論穩(wěn)態(tài)波形圖，圖5為各開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路。各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。 圖 4  &#

15、160; D 0.5 時(shí) 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩(wěn) 態(tài) 波 形 (a) 模 態(tài) 1                                (b) 模 態(tài) 2 (c) 模 態(tài) 3       

16、0;                        (d) 模 態(tài) 4 (e) 模 態(tài) 5                       &#

17、160;        (f) 模 態(tài) 6 (g) 模 態(tài) 7                                (h) 模 態(tài) 8 (i) 模 態(tài) 9    

18、0;                           (j) 模 態(tài) 10 圖 5    D0.5時(shí) 的 各 開(kāi) 關(guān) 模 態(tài) 的 等 效 電 路     1）模態(tài)1t0t1    對(duì)應(yīng)于圖5（a），在t0時(shí)刻Sr導(dǎo)通，諧振電感Lr中的電流從0開(kāi)始

19、線性上升，升壓二極管D1及D2的電流開(kāi)始減小。在t1時(shí)刻電感Lr的電流上升到Iin1Iin2，升壓二極管D1及D2的電流同時(shí)減小到0，D1及D2自然關(guān)斷，模態(tài)1結(jié)束。     2）模態(tài)2t1t2    對(duì)應(yīng)于圖5（b），在t1時(shí)刻升壓二極管D1及D2關(guān)斷，Lr，C1及C2開(kāi)始諧振。電感Lr中的電流繼續(xù)上升，而電容C1及C2開(kāi)始放電。iLr和vC1（vC2）分別為     iLr(t)=Iin1Iin2sinrr(tt1)     vC1(t)=Vocosrr(tt1) 式中：

20、rr=；       Zrr=；       Cr=C1=C2。     在t2時(shí)刻C1及C2的電壓同時(shí)下降到0，電感Lr1中的電流為iLr(t2)=Iin1Iin2，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為t12=。值得注意的是：當(dāng)D0.5時(shí)，諧振電路的特征阻抗為D。相應(yīng)地，諧振電感的初始電流是D>0.5時(shí)的2倍，諧振電流增大了倍。因此，輔助電路處理的功率約為D>0.5時(shí)的2倍。     3）模態(tài)3t2t3  &

21、#160; 對(duì)應(yīng)于圖5（c），在t2時(shí)刻Ds1及Ds2同時(shí)導(dǎo)通，電感Lr中的電流一部分流過(guò)Iin1和Iin2續(xù)流，另一部分流過(guò)Ds1和Ds2續(xù)流，此時(shí)開(kāi)通S1就是零電壓開(kāi)通。S1的開(kāi)通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Sr開(kāi)通時(shí)刻。     4）模態(tài)4t3t4    對(duì)應(yīng)于圖5（d），在t3時(shí)刻Sr關(guān)斷，iLr線性減小，在t4時(shí)刻iLr減小到Iin1Iin2時(shí)，Ds1及Ds2同時(shí)關(guān)斷，模態(tài)4結(jié)束。     5）模態(tài)5t4t5    對(duì)應(yīng)于圖5（e），在該模態(tài)中iLr繼續(xù)線性減小，S1中的電流線性

22、上升。在t5時(shí)刻S1中的的電流上升到Iin1，Lr中的電流減小到Iin2，模態(tài)5結(jié)束。     6）模態(tài)6t5t6    對(duì)應(yīng)于圖5（f），在t5時(shí)刻Ds1關(guān)斷，Lr和C2開(kāi)始諧振，電感Lr中的電流繼續(xù)減小，而電容C2開(kāi)始充電。iLr和vC2分別為     iLr(t)=Iin2sinr(tt5)     vC2(t)=Vo(1cosr(tt5) 式中：r=；       Zr=；    

23、0;  Cr=C1=C2。     假如Iin2<，在t6時(shí)刻iLr減小到零，模態(tài)6結(jié)束。     7）模態(tài)7t6t7    對(duì)應(yīng)于圖5（g），在t6時(shí)刻輸入電流Iin2給電容C2恒流充電到Vo。在t7時(shí)刻，C2的電壓達(dá)到Vo，D2導(dǎo)通，模態(tài)7結(jié)束。     8）模態(tài)8t7t8    對(duì)應(yīng)于圖5（h），在該模態(tài)中主功率開(kāi)關(guān)管S1和升壓二極管D2導(dǎo)通工作，在t8時(shí)刻，S1關(guān)斷，模態(tài)8結(jié)束。     9）

24、模態(tài)9t8t9    對(duì)應(yīng)于圖5（i），在t8時(shí)刻關(guān)斷S1，輸入電流Iin1給電容C1恒流充電，C1的電壓從零開(kāi)始線性上升，所以S1是零電壓關(guān)斷。在t9時(shí)刻C1的電壓達(dá)到Vo，此時(shí)升壓二極管D1自然導(dǎo)通，模態(tài)9結(jié)束。     10）模態(tài)10t9t10    對(duì)應(yīng)于圖5（j），在該模態(tài)中D1和D2導(dǎo)通工作。在t10時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)管Sr再次導(dǎo)通，開(kāi)始另一半個(gè)開(kāi)關(guān)周期的工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。 3    電路的基本特點(diǎn)     對(duì)于兩相B

25、oost ZVT PWM變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式而言，當(dāng)一個(gè)主二極管導(dǎo)通時(shí)，輔助電路開(kāi)始工作，為相應(yīng)的主開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)通和相應(yīng)的二極管提供零電流關(guān)斷。為了使輔助電路高效運(yùn)行，當(dāng)輔助電路開(kāi)始工作時(shí)，某一相的有源開(kāi)關(guān)應(yīng)該處于導(dǎo)通狀態(tài)。換句話說(shuō)，占空比D應(yīng)大于0.5。否則，如圖4中所示的輔助電路處理的功率約為D>0.5時(shí)的兩倍，因而增大了輔助電路的損耗。這種兩相Boost ZVT PWM變換器適用于電壓變換比大于0.5的場(chǎng)合。只用一個(gè)有源輔助開(kāi)關(guān)就實(shí)現(xiàn)了兩相主開(kāi)關(guān)管和二極管的零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，并且主開(kāi)關(guān)管和升壓二極管中的電壓、電流應(yīng)力與不加輔助電路一樣。 4  &

26、#160; 諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)     對(duì)于D>0.5的情況，根據(jù)上述原理分析知，要實(shí)現(xiàn)S1的零電壓開(kāi)通，必須在S1的反并二極管導(dǎo)通之后才能給S1加?xùn)艠O信號(hào)。為了保證ZVT開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，S1的開(kāi)通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Sr開(kāi)通時(shí)刻，滯后時(shí)間td必須滿足     td>t01t12=    （1） S2的零電壓開(kāi)通條件與S1一樣。 4.1    C1和C2的設(shè)計(jì)     C1是用來(lái)使S1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷的，C1的大小應(yīng)使得vDS(S1)即vC1上升

27、速度不要太快。一般可選擇在最大負(fù)載時(shí)，vC1從0上升到Vo的時(shí)間為（23）toff，toff為S1的關(guān)斷時(shí)間。則     C1=(23)toff    （2） 同樣，可以求取C2。 4.2    Lr的設(shè)計(jì)     輔助電路只是在主開(kāi)關(guān)管S1和S2開(kāi)通的一小段時(shí)間工作，其它時(shí)間停止工作。為了不影響主電路的工作時(shí)間，輔助電路的時(shí)間不能工作太長(zhǎng)，一般可選擇為開(kāi)關(guān)周期Ts的1/10，即t01t12<，也就是     （3）     由式（3）可以求出Lr的大小。 5    仿真結(jié)果與分析     為驗(yàn)證兩相Boost ZVT PWM變換器理論分析的正確性，對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真分析。仿真參數(shù)如下：輸入電壓Vin=DC 150V；輸出電壓Vo=DC400V；開(kāi)關(guān)頻率fs=100kHz；升壓電感Lf1=Lf2=450H；濾波電容Cf=47