一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC_DC變換器

1、第27卷第22期中國電機(jī)工程學(xué)報V ol.27 No.22 Aug. 2007一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器林國慶(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,福建省福州市350002A Novel Zero-voltage and Zero-current Transition DC-DC ConverterLIN Guo-qing(School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian Province, ChinaABTRACT:a novel zero-voltag

2、e and zero-current transition dc-dc converter is presented in the paper. Soft-switching of the main switch and auxiliary switches can be achieved by using two auxiliary resonant networks. The proposed converter has such advantages as zero-voltage and zero-current turn-on and zero-voltage and zero-cu

3、rrent turn-off for the main switch without increasing voltage and current stress, zero-current turn-on and turn-off for auxiliary switches. It is very attractive for high power application where igbt is predominantly used as the power switches. Its operation principle is analyzed through its applica

4、tion to the boost converter. The condition of soft-switching and the design considerations are analyzed in detail. The novel soft-switching cell can be also used in other basic dc-dc converters. Some experimental measurements are used to verify the theoretical prediction and analytical discussion.KE

5、Y WORDS: zvzct;soft-switching; DC-DC converters摘要: 提出了一種新型的零電壓、零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器,即通過采用兩條輔助諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了全部主、輔開關(guān)管的軟開關(guān),主開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓零電流開通、零電壓零電流關(guān)斷,開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小,輔助開關(guān)管實現(xiàn)了零電流通斷,特別適用于以IGBT作為開關(guān)器件的高電壓大功率場合。并以其在Boost變換器的應(yīng)用為例分析了它的工作原理,軟開關(guān)實現(xiàn)條件,給出了諧振參數(shù)的設(shè)計方法,該軟開關(guān)設(shè)計思想可以推廣到其它基本的DC-DC變換器中。電路仿真和實驗結(jié)果驗證了所提出的方案是可行的。關(guān)鍵詞:零電壓零電流轉(zhuǎn)換;軟開關(guān);DC

6、-DC變換器0 引言硬開關(guān)PWM變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、工作頻率恒定以及輸出調(diào)節(jié)特性好而得到廣泛應(yīng)用。在高壓、大功率應(yīng)用場合,功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大,開關(guān)損耗大,并且電壓基金項目:福建省自然科學(xué)基金(E0510008;福建省科技三項(K04011。尖峰和電流浪涌帶來的電磁干擾可能影響變換器的正常工作。在傳統(tǒng)的設(shè)計中通常需用較大容量的開關(guān)器件輔以吸收電路,開關(guān)頻率難以提高。為解決這些問題,近年來國內(nèi)外提出了許多軟開關(guān)技術(shù)1-8,如諧振開關(guān)技術(shù)、零開關(guān)技術(shù)和零轉(zhuǎn)移技術(shù)等。其中零轉(zhuǎn)移變換器由于采用輔助網(wǎng)絡(luò)9-16,利用輔助開關(guān)控制諧振元件的諧振過程,在保持PWM變換器優(yōu)點的同時

7、實現(xiàn)了軟開關(guān),減少了開關(guān)損耗,成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點。盡管目前出現(xiàn)許多新型電路拓?fù)?但仍存在著一些不足,如開關(guān)管電壓電流應(yīng)力大、輔助管不能實現(xiàn)軟開關(guān)、主開關(guān)管不能實現(xiàn)4個零、存在較大環(huán)流能量等。本文提出了一種新型的零電壓、零電流轉(zhuǎn)移軟開關(guān)DC-DC變換器,它通過采用兩條輔助諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了全部主、輔開關(guān)管的軟開關(guān),主開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小,可用于IGBT作為開關(guān)器件的高電壓、大功率場合。1 電路拓?fù)渑c工作原理圖1為新型零電壓零電流軟開關(guān)電路拓?fù)?其中輔助諧振網(wǎng)絡(luò)分別由輔助開關(guān)管S2、諧振電感L r1、諧振電容C1和輔助開關(guān)管S3、諧振電感L r2、諧振電容C2組成。電感L1、L2構(gòu)成一個耦合電

8、感,匝比為1,在分析過程中用一個電流源i L2(流過L2電流和一個電壓源U L1( L1兩端電壓等效。為簡化分析,假設(shè)電路中所有元器件都是理想的,輸入濾波電感L f足夠大,用恒流源I i代替,輸出濾波電容C0足夠大,用恒壓源U0代替。設(shè)t=t0以前,主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)S2、S3均關(guān)斷,諧振電容C2的電壓為U c2max。一個開關(guān)周期內(nèi)有8種運(yùn)行模式,如圖2所示。第22期林國慶: 一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC 變換器 107L fU inS 1S 2S 3C 1C 2C 0L 1L 2L r 1L r 2 DD 2 D 4 D 5D 3 D 1圖1 新型ZVZCT 軟開關(guān)電路拓?fù)銯i

9、g. 1 The proposed ZVZCT soft-switching converterL r 2 L r 1L r 1 i L 2 I ii L 2I iU 0 U 0U 0 I iU L 1 C 2C 1 L r 1L r 2I iI ii L 2 I iI iI iC 1 C 2L r 2 L r 2C 2(a t 0t 1 (b t 1t 2(c t 2t 3 (d t 3t 4 (e t 4t 5 C(f t 5t 6 (g t 6t 7 (h t 7t 8 U L 1圖2 8個不同工作狀態(tài)的等效電路Fig. 2 Equivalent circuits for eight t

10、opological stages(1模式1(0t 1t :0t 時,輔助管S 2零電流導(dǎo)通,有2種工作情況:電感1r L 電流由零線性充電至I i /2,1Lr i =2Lr i = I i /2,整流二極管電流D i 120L L i I i i =,整流二極管D 零電流關(guān)斷,線性充電時間0110/2i r t I L U =;2r L 通過S 2、D 3與2C 發(fā)生諧振,有2max 2242sin (C Lr r Ui t t Z = (122max 24cos (c C u U t t = (2式中:2221/r L C =;222/r r Z L C =。 經(jīng)過1/2諧振周期后停止諧

11、振,這一段時間可能延續(xù)到模式2和模式3。(2模式2(1t 2t :1t 時,0D i =,整流二極管D 關(guān)斷,1r L 通過2S 與1C 發(fā)生諧振,有011111sin (2Lr i r U i I t t Z =+ (3101111cos (2C u U t t =+ (4式中:1112/r L C =;1112/r r Z L C =。1C 電壓1C u 逐漸降低,同時耦合電感次級電流2L i 通過2D 流到負(fù)載,輔助開關(guān)承受較小的電流應(yīng)力,這個階段時間12111/2r t L C =。(3模式3(2t 3t :2t 時,10C u =,主開關(guān)管體內(nèi)反并二極管D 1導(dǎo)通,此時給主開關(guān)管S

12、1加上觸發(fā)脈沖,S 1零電壓接通。諧振電感1r L 電流1021/2(/Lr i r i I U t t L =,諧振電感1r L 中能量反饋到負(fù)載,諧振電感線性放電,流過主開關(guān)管S 1電流 線性增加,S 1為零電流接通。當(dāng)2310/2i r t I L U =時,1Lr i =0,輔助管S 2電流20S i =,此后到輔助管S 3開通前任何時刻關(guān)斷輔助開關(guān)管S 2均可實現(xiàn)輔助管S 2零電流關(guān)斷。(4模式4(3t 4t :3t 時,主開關(guān)管S 1的漏源電流達(dá)到濾波電感f L 的電流i I ,電路恢復(fù)到傳統(tǒng)的PWM 工作狀態(tài)。(5模式5(4t 5t :4t 之前,主開關(guān)S 1導(dǎo)通,2C 電壓已充

13、電到2max c U 。4t 時,輔助管S 3零電流導(dǎo)通,2r L 通過S 1、S 3與2C 發(fā)生諧振。在這一時間段有2max2242sin (C Lr r U i t t Z = (5 22max 24cos (c C u U t t = (6諧振電流2Lr i 迫使主開關(guān)管1S 的漏源電流12S i Lr i I i =以正弦規(guī)律減小,當(dāng)2Lr i 諧振到等于輸入電流i I 時,主開關(guān)管S 1中的電流下降為零。之后,2Lr i 繼續(xù)諧振上升,S 1所在支路電流變負(fù),S 1的反并二極管導(dǎo)通,經(jīng)過1/4諧振周期后,22max 2/Lr C r i U Z =達(dá)到最大值,然后諧振下降。當(dāng)2Lr

14、i 諧振下降到再次等于i I 時,S 1的反并二極管D 1電流下降為零。在S 1的反并二極管D 1導(dǎo)通期間,關(guān)斷主開關(guān)管S 1可實現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷。此段時間間隔4522/2r t L C =。(6模式6(5t 6t :主開關(guān)管S 1關(guān)斷后,2r L 與2C 、1C 繼續(xù)發(fā)生諧振,電容1C 電壓1C u 由零開始逐漸增加,2C 電壓也繼續(xù)增加。當(dāng)10C u U =時,整流二極管D 導(dǎo)通。(7模式7(6t 7t :整流二極管D 導(dǎo)通后,2r L 與2C 繼續(xù)諧振,在這一時間段有2202262(cos(CM Lr LM r U U i I t t Z =+ (7 2222002(C CM LM r

15、 u U U U I Z =+26sin(t t + (8式中:102tan (/CM r LM U U Z I =;26(LM Lr I i t =;26(CM c V u t =。當(dāng)諧振電流2Lr i 下降到零時,諧振電壓2C u 達(dá)到108 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報 第27卷最大值2222max 002(C CM LM r U U U U I Z =+,這個時間段結(jié)束,6722(/2r t L C =。(8模式8 7t 80(t t :7t 時,2r L 與2C 的諧振停止,2C u 電壓保持在最大值2max C U ,20Lr i =,流過輔助管S 3的漏源電流為零,此后到輔助管

16、S 2開通前任何時刻均可使輔助管S 3零電流關(guān)斷。7t 以后整流二極管D 已完全導(dǎo)通,電路又回到傳統(tǒng)的PWM 工作狀態(tài)。8t 時輔助管S 2導(dǎo)通,電路又重復(fù)上一個周期的工作。2 參數(shù)設(shè)計2.1 軟開關(guān)分析由以上分析可知,要實現(xiàn)主開關(guān)管ZVS ,關(guān)鍵在于模式1和模式2。模式1實現(xiàn)了輸出整流二極管D 的零電流軟關(guān)斷,而D 的關(guān)斷又為1r L 和1C 的諧振創(chuàng)造了條件。在模式2,要實現(xiàn)S 1零電壓接通必須保證1C u 在主開關(guān)管S 1開通前從U 0諧振到零,需滿足以下條件:r i r onL C I LT t t U +=+ (9式中2on T 為輔助管S 2脈沖寬度。同時,為了使輔助管S 2實現(xiàn)零

17、電流關(guān)斷還必須滿足下列條件:r i r on L C I LT t t t U +=+ (102222r on L C T (11顯然,要使主開關(guān)管S 1實現(xiàn)零電壓接通,輔助管S 2也實現(xiàn)零電流關(guān)斷,必須同時滿足式(10和式(11。在輔助管S 2導(dǎo)通期間,有兩條支路電流流過輔助管S 2,一條來自電感1r L 電流,另一條來自電感2r L 電流。在此期間,2r L 、2C 諧振支路2C u 由2max c V 變?yōu)?max c V ,2Lr i 從0諧振到最大值再回到0,之后保持諧振值直至輔助管S 3開通,為主開關(guān)管S 1零電流關(guān)斷創(chuàng)造條件。實現(xiàn)主開關(guān)管ZCS 的關(guān)鍵在于模式5,利用2r L 、

18、2C 諧振回路的分流作用使主開關(guān)管的電流發(fā)生轉(zhuǎn)移,12S i Lr i I i =,諧振支路電流2Lr i 逐漸增加,主開關(guān)管電流1S i 逐漸減小,直至10S i =時實現(xiàn)零電流關(guān)斷。在此階段2r L 、2C 諧振得以發(fā)生的前提是必須給電容2C 賦予一定的初始電壓,且主開關(guān)管實現(xiàn)零電流關(guān)斷必須滿足以下條件:2max2max 2C Lr i r U i I Z = (12 要使輔助管S 3也實現(xiàn)零電流關(guān)斷還必須滿足3455667on T t t t + (13 式中3on T 為輔助管S 3脈沖寬度。2.2 諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(1設(shè)置電流系數(shù)i K 。1Lr m i i IK I = (14式

19、中:1Lr m I 為流過電感1r L 電流的最大值;i K 1。(2諧振電感1r L 和電容1C 。如上所述,主開關(guān)管S 1零電壓開通,關(guān)斷時靠電容1C 的緩沖實現(xiàn)零電壓,較大的1C 有利于減小關(guān)斷損耗,但1C 越大,1C 存儲的能量210/2C U 越多,在諧振周期一定情況下1C 能量經(jīng)諧振轉(zhuǎn)移到1r L 上使電流峰值增大,輔助管S 2電流應(yīng)力和主開關(guān)管關(guān)斷損耗增加。這部分諧振能量究竟取多大,必須結(jié)合開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力加以考慮。根據(jù)以上分析可得出01011221011202(1(1/2(1(1(1/22r i ii i i U L t t K I K I C t t K U =+=+(15

20、 其中i I 取輸入電感f L 電流的最大值(P 0/U i min ,1C 包括諧振電容、主開關(guān)管寄生電容和整流二極管的結(jié)電容。本設(shè)計中取01120.05t t T +=,T 為開關(guān)周期。(3諧振電感2r L 和電容2C 。主開關(guān)管關(guān)斷時靠2r L 、2C 諧振回路的分流使主開關(guān)管的電流發(fā)生轉(zhuǎn)移。為實現(xiàn)零電流關(guān)斷,必須使該諧振支路電流最大值2max L i =2max 2/C r i U Z I ,但是太大的諧振電流又使諧振電感和輔助管的負(fù)擔(dān)加重。通常在滿足軟開關(guān)條件下應(yīng)盡量減少2max C U ,諧振電感2r L 、2C 按下式計算204524502/2/r v ii v L K U t

21、I C I t K U = (16 式中2max 0/v C K U U =為電壓系數(shù),本設(shè)計取45t =0.03T 。3 仿真與實驗結(jié)果基于上述電路拓?fù)浜头治?利用Pspice 軟件進(jìn)行了仿真,并進(jìn)行了100kHz 、400W 原理樣機(jī)實驗。第22期 林國慶: 一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC 變換器 109所選擇諧振元件參數(shù)為:L r 1=15H ,C 1=680pF ,L r 2=5H ,C 2=4.70nF 。仿真和實驗結(jié)果如圖3和圖4。可以看出,主開關(guān)管S 1為零電流、零電壓通斷,電壓、電流為梯形波,相互錯開,即實現(xiàn)了4個零、4個斜坡,輔助開關(guān)管S 2、S 3也實現(xiàn)了零電流通斷。

22、實驗結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相一致。0 10u g 1/V 0 0 10400 u DS /VI s 1/A 0 10 u g 2/V 0 20 I s 2/A 0 10 u g 3/V 0 10I s 3/A (a 主開關(guān)管電壓電流波形 (b 輔開關(guān)管電壓電流波形圖3 電路仿真波形Fig. 3 The simulation waveform of the proposed circuit0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 200 u DS /V 0 4 I s 1/A 0 4 I s 2/A 8 0 4 I s 3/

23、A 圖4 開關(guān)管電壓、電流波形Fig. 4 Voltage and current waveform of the switches4 結(jié)論本文構(gòu)造出一種新型零電壓零電流轉(zhuǎn)移的軟開關(guān)DC-DC 變換器電路拓?fù)?它通過采用兩條輔助諧振支路實現(xiàn)了全部主、輔開關(guān)的軟開關(guān)。 由于主開關(guān)管實現(xiàn)了4個零,消除了電壓和電流的交疊現(xiàn)象、降低了開關(guān)損耗;4個斜坡,減小了d v /d t 、d i /d t ,開關(guān)應(yīng)力減小,同時也解決了硬開關(guān)PWM 變換器引起的EMI 問題、二極管的反向恢復(fù)問題。在較寬的負(fù)載范圍內(nèi),零電壓、零電流開關(guān)條件均可以得到保證。該新型軟開關(guān)DC-DC 變換器由于主開關(guān)管和輔助管都實現(xiàn)了零

24、電流通斷,主開關(guān)管和輔助管均可用IGBT 作為開關(guān)器件用于高電壓、大功率應(yīng)用場合。參考文獻(xiàn)1 Zhu J Y ,Dao H D .Zero-voltage-and zero-current-switched PWMDC-DC converters using active snubberJ.IEEE Transactions on Industry Applications ,1999,35(6:1406-1412.2 Smith K M .Lossless passive soft-switching methods for inverters andamplifiresJ.IEEE Tra

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