零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器的拓?fù)渚C述
摘要:零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器是器件應(yīng)力較小、效率較高的1種DC/DC變換器結(jié)構(gòu),應(yīng)用較為廣泛。介紹了近幾年出現(xiàn)的幾種新穎的零轉(zhuǎn)換PWM變換器的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu),重點(diǎn)分析了它們的工作原理,比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:零轉(zhuǎn)換PWM變換器;ZVT-PWM;ZCT-PWM,ZCZVT?PWM
1 引言
為了減小功率變換器的體積、重量和開關(guān)損耗,提高開關(guān)頻率和工作效率,在DC/DC變換器中常采用軟開關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓(零電流)開通或關(guān)斷。具體的方法有4種:零電壓準(zhǔn)諧振變換器(ZVS-QRC),零電壓多諧振變換器(ZVS-MRC),ZVS-PWM變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器。
一般而言,ZVS-QRC變換器[1]電壓應(yīng)力較大,且電壓應(yīng)力與負(fù)載變化范圍成正比;ZVS-MRC變換器[2]也具有較大的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力;ZVS?PWM變換器[3]則因串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。而零轉(zhuǎn)換PWM變換器則不同,它克服了前面3種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),電路性能大為改善。其電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于,它的諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)管并聯(lián);在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間,諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振,獲得零開關(guān)條件;在開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,電路又恢復(fù)到正常的PWM工作方式。這種電路結(jié)構(gòu)給其帶來了4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):
1)功率開關(guān)器件工作在軟開關(guān)條件下,承受的電壓、電流應(yīng)力較低;
2)在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi),都能較好地保持零電壓特性;
3)輔助諧振網(wǎng)絡(luò)并不需要處理很大的環(huán)流能量,因此電路的導(dǎo)通損耗較小;
4)采用PWM控制方式,實(shí)現(xiàn)了恒頻控制。
由于零轉(zhuǎn)換PWM電路的突出優(yōu)點(diǎn),使其得到了廣泛研究和應(yīng)用。最近幾年里,出現(xiàn)了許多新的零轉(zhuǎn)換PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中以ZVT-PWM變換器的一些改進(jìn)、ZCT-PWM變換器、以及ZCZVT-PWM變換器等幾種特色比較突出。本文將對這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作簡要介紹,重點(diǎn)分析它們的工作原理,并剖析它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
2 ZVT-PWM變換器及其改進(jìn)
2.1 普通的ZVT-PWM變換器
圖1所示是文獻(xiàn)[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在主開關(guān)管S之上,并聯(lián)了一個(gè)由諧振電容Cr(其中包含了主開關(guān)S的輸出電容和二極管D的結(jié)電容)、諧振電感Lr、輔助開關(guān)S1及二極管D1組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。
圖 1 普 通ZVT- PWM變 換 器
在每次S導(dǎo)通前,先導(dǎo)通S1,使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)諧振。當(dāng)S兩端電容電壓諧振到零時(shí),導(dǎo)通S。當(dāng)S完成導(dǎo)通后,立即關(guān)斷S1,使輔助諧振電路停止工作。之后,電路以常規(guī)的PWM方式運(yùn)行。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不
增加電壓/電流應(yīng)力的情況下,實(shí)現(xiàn)了S的零電壓導(dǎo)通和D的零電流關(guān)斷。但由于S1是在大電流(接近諧振峰值電流)下關(guān)斷、大電壓(接近輸出電壓)下開通,S1處于一種非常不好的硬開關(guān)環(huán)境。
為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點(diǎn),近幾年中人們提出了幾種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它們均實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的軟開關(guān),減少了開關(guān)損耗。下面對這幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)分別予以介紹。
2.2 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>
圖2所示為文獻(xiàn)[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)洹Ec圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比,該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了一個(gè)電容(CB)和兩個(gè)二極管(Dr,D2),但卻同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2的軟通斷,以下對其工作過程進(jìn)行分析。
圖 2 改 進(jìn) 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 一
在分析中作如下假定:
1)輸入電壓Vi為常數(shù),主電感Lf足夠大,輸入電流Ii為常數(shù);
2)輸出電容Cf足夠大,輸出電壓Vo為常數(shù);
3)諧振電路是理想的;
4)諧振電感Lr<<Lf
5)忽略半導(dǎo)體器件的電壓降和寄生電容;
6)忽略Dr及其它二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。
設(shè)初始狀態(tài)為:S1及S2均為關(guān)斷狀態(tài),輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)。is1=0,is2=0,iD=Ii,vCr=Vo,vCB=0。電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開關(guān)周期的工作過程可分為7個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形如圖3所示。
圖 3 工 作 過 程 波 形
模態(tài)1(t0-t2) 在t0時(shí)刻,S2導(dǎo)通,iD線性下降,is2線性上升,在t1時(shí)刻,is2上升到Ii,iD下降到0,隨后is2繼續(xù)上升,iD反向通過恢復(fù)電流,直到t2時(shí)刻,iD達(dá)到最大反向恢復(fù)電流-Irr,這時(shí)流過S2和Lr的電流為Ii+Irr,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)2(t2-t3) 在t2時(shí)刻,D關(guān)斷,Lr,Cr開始諧振,直到Cr放電到0,轉(zhuǎn)到模態(tài)3;
模態(tài)3(t3-t4) 在t3時(shí)刻,Ds1自然導(dǎo)通,為S1創(chuàng)造ZVS條件;
模態(tài)4(t4-t5) 在t4時(shí)刻,在零電壓下導(dǎo)通S1和關(guān)斷S2,D1導(dǎo)通,Lr,CB開始諧振,直到iLr=0,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)5(t5-t6) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài);
模態(tài)6(t6-t7) 在t6時(shí)刻,S1關(guān)斷,輸入電流Ii給電容Cr充電,同時(shí)CB放電,直到VCr=Vo,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)7(t7-t8) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關(guān)斷狀態(tài),直到t8時(shí)刻,進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。
可見,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了S1和D在零電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷,S2在零電流下導(dǎo)通和零電壓下關(guān)斷,兩個(gè)開關(guān)管都是軟通斷,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關(guān)管為硬通斷的缺點(diǎn),減少了關(guān)斷損耗。 [!--empirenews.page--]
2.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>
圖4所示為文獻(xiàn)[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)?。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比,該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)電容,少了一個(gè)二極管。以下對其工作過程進(jìn)行分析。
圖4 改 進(jìn) 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 二
在分析中的假定與2.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為:uCf=uCr=Vo,iCr=0,iD1=Ii,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開關(guān)周期可劃分為7個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形如圖5所示。
圖5 工 作 過 程 波 形
模態(tài)1(t1-t2) 在t1時(shí)刻,S2開通,Lr,Cr開始諧振,iLr諧振上升,直到iLr=Ii,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)2(t2-t3) 在t2時(shí)刻,D1自然關(guān)斷,Cf,Cr,Lr與輸出負(fù)載RL構(gòu)成諧振回路,直到Cf放電到0,轉(zhuǎn)到模態(tài)3;
模態(tài)3(t3-t4) 在t3時(shí)刻,Cr,Lr通過Ds1,S2和RL構(gòu)成諧振回路,使Lr中的電流繼續(xù)減??;
模態(tài)4(t4-t5) 在t4時(shí)刻,iLr=Ii,S1導(dǎo)通,Ds1關(guān)斷,此階段中,Lr,Cr通過S2,S1和RL構(gòu)成諧振回路,使Lr中的電流繼續(xù)減小;
模態(tài)5(t5-t7) 在t5時(shí)刻,iLr=0,在輸出電容Co的作用下,Lr,Cr通過Ds2,S1反向諧振,Lr中的電流反向,S2自行關(guān)斷;
模態(tài)6(t7-t8) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài),輸入電源通過S1給Ls充電;
模態(tài)7(t8-t9) 在t8時(shí)刻,S1關(guān)斷,輸入電流Ii給電容Cf充電,該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關(guān)斷狀態(tài),直到進(jìn)入下一周期。
可見,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了S1在ZVS條件下通斷,S2在零電壓、零電流的條件下關(guān)斷與開通,兩個(gè)開關(guān)管都是軟通斷,改善了開關(guān)環(huán)境,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關(guān)管為硬開關(guān)的缺點(diǎn),減小了關(guān)斷損耗。
2.4 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>
圖6所示為文獻(xiàn)[7]提出的另一種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)?。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比,該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)電感、一個(gè)二極管和一個(gè)電容。其工作原理的分析與前面的基本相似,具體分析可以參考文獻(xiàn)[7]。從中可知,主開關(guān)管S1在零電壓下開通和關(guān)斷,輔助開關(guān)管S2在零電流下開通和關(guān)斷,從而也克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關(guān)管為硬開關(guān)的缺點(diǎn),減小了開關(guān)損耗,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)開關(guān)都是軟開關(guān)。
圖 6 改 進(jìn) 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 三
3 ZCT-PWM變換器
3.1 普通的ZCT-PWM變換器
ZVT-PWM變換器能實(shí)現(xiàn)在ZVS下開通,消除導(dǎo)通損耗,但卻不能有效地減小關(guān)斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8],如圖7所示,則能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)在ZCS下關(guān)斷,消除關(guān)斷損耗。然而,其輔助開關(guān)仍然是硬開關(guān),而且,其輸出整流二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題,導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過改變控制策略,使輔助開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間更長一些,可以實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管在ZCS下關(guān)斷,但輔助開關(guān)管的峰值電流將較大。
圖7 普 通 的ZCT- PWM變 換 器 [!--empirenews.page--]
3.2 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>
文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器。該改進(jìn)的拓?fù)渲皇菍⒅C振網(wǎng)絡(luò)的輔助開關(guān)管Sa和嵌位二極管Dc交換位置,能實(shí)現(xiàn)所有的開關(guān)管在ZCS下通斷,并減小了Sa的峰值電流。但它的整流二極管D仍存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。
3.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>
文獻(xiàn)[10]介紹了一種新穎的ZCT-PWM變換器,它 很 好 地 解 決 了 以 上 所 提 到 的 各 項(xiàng) 缺 點(diǎn) , 如 圖8所 示 。 與 圖 7的 普 通ZCT-PWM變 換 器 相 比 , 該 改 進(jìn) 的 拓 撲 在 元 器 件 數(shù) 量 方 面 沒 有 增 減 , 只 是 改 變 了 組 合 方 式 , 但 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 了 主 開 關(guān) 管 S和 輔 助 開 關(guān) 管Sa的 軟 通 斷 , 并 解 決 了 輸 出 整 流 二 極 管 D嚴(yán) 重 的 反 向 恢 復(fù) 問 題 。 以 下 對 其 工 作 過 程 進(jìn) 行 分 析 。
圖8 改進(jìn)的ZCT-PWM變換器
在分析中的假定與2.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為:S及Sa均為關(guān)斷狀態(tài),D處于導(dǎo)通狀態(tài)。iD=iLr=Ii,vCr=Vo,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開關(guān)周期可劃分為8個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形如圖9所示。
圖 9 工 作 波 形 圖
模態(tài)1(t0-t1) 在t0時(shí)刻,S開通,iLr,iD線性下降,直到iD=iLr=0,D關(guān)斷,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)2(t1-t2) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài);
模態(tài)3(t2-t3) 在t2時(shí)刻,Sa開通,Cr,Lr開始諧振,經(jīng)過半個(gè)諧振周期,vCr=-Vo;
模態(tài)4(t3-t4) 在t3時(shí)刻,Da導(dǎo)通,Sa關(guān)斷,Cr,Lr繼續(xù)諧振,iLr反向增大,直到iLr=Ii,is=0,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)5(t4-t5) 在t4時(shí)刻,主開關(guān)管S的反向二極管導(dǎo)通;
模態(tài)6(t5-t6) 在t5時(shí)刻,主開關(guān)管S關(guān)斷;
模態(tài)7(t6-t7) 在t6時(shí)刻,恒流源Ii給Cr充電,直到vCr=Vo,D導(dǎo)通,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)8(t7-t8) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關(guān)斷狀態(tài),直到t8時(shí)刻,一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束。
可見,該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管和輸出整流二極管D都在較小的di/dt下軟開通,在ZCS下關(guān)斷,而且在主開關(guān)管S上沒有附加的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗,大大減小了輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流。
4 ZCZVT-PWM變換器
近些年,一些電力電子研究中心的工程師們正盡力尋求一種最優(yōu)化的軟開關(guān)技術(shù),即用盡量少的輔助元器件,實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換,綜合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)一步完善零轉(zhuǎn)換條件。文獻(xiàn)[11]所介紹一種新穎的ZCZVT-PWM變換器,就能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換,如圖10所示。以下對其工作過程進(jìn)行分析。
圖10 ZCZVT-PWM變 換 器
在分析中的假定與2.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為:主功率開關(guān)管S及輔助開關(guān)管Sa均為關(guān)斷狀態(tài),輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài),vCR2=Vo,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開關(guān)周期可劃分為13個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形如圖11所示。
圖 11 工 作 過 程 波 形 圖
模態(tài)1(t1-t2) 在t1時(shí)刻,Sa開通,CR1,LR諧振,iLR,vCR1均增加,直到vCR1=Vi,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)2(t2-t3) 在t2時(shí)刻,Da2導(dǎo)通,iLR繼續(xù)增加,直到iLR=Ii,此時(shí)D自然關(guān)斷;
模態(tài)3(t3-t4) CR2,LR諧振,vCR2減小,iLR繼續(xù)增加,直到vCR2=0;
模態(tài)4(t4-t5) 在t4時(shí)刻,Ds導(dǎo)通,LR釋放能量,iLR減小,直到iLR=Ii,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)5(t5-t6) 在t5時(shí)刻,S導(dǎo)通,當(dāng)LR完全釋放能量時(shí),iLR=0,is=Ii,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)6(t6-t7) CR1,LR通過S和Da1開始半周期諧振,此時(shí)關(guān)斷Sa;
模態(tài)7(t7-t8) 該階段與普通Boost PWM變換器的開通狀態(tài)一樣;
模態(tài)8(t8-t9) 在t8時(shí)刻,Sa開通,CR1,LR諧振,iLR增加,is下降,直到iLR=Ii,is=0;
模態(tài)9(t9-t10) 在t9時(shí)刻,Ds導(dǎo)通,S關(guān)斷,當(dāng)iLR再次達(dá)到Ii,Ds關(guān)斷,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)10(t10-t11) 在t10時(shí)刻,CR2,CR1,LR諧振,直到uCR1=Vi,Da2導(dǎo)通;
模態(tài)11(t11-t12) 在t11時(shí)刻,CR2,LR繼續(xù)諧振,直到iLR=0,Da1開通,Da2關(guān)斷;
模態(tài)12(t12-t13) 在t12時(shí)刻,CR2,CR1,LR諧振,當(dāng)iLR再次達(dá)到iLR=0時(shí),Da1關(guān)斷,此時(shí)關(guān)斷Sa,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)13(t13-t14) 輸入電流Ii給CR2充電,vC2線性增加到Vo,此時(shí)D導(dǎo)通,進(jìn)入下一個(gè)周期。
可見,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S同時(shí)在零電壓和零電流條件下開通和關(guān)斷,輔助開關(guān)管Sa在零電流條件下開通,零電壓和零電流條件下關(guān)斷,輸出整流二極管D在零電壓下轉(zhuǎn)換,從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn),又克服了它們各自的缺點(diǎn),大大減小了開關(guān)損耗。
5 結(jié)語
零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器是低電壓(電流)應(yīng)力、高效率的變換器,但傳統(tǒng)的零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器仍存在一些問題。為了解決這些問題,人們提出了許多新的改進(jìn)拓?fù)?。本文對三種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器、一種改進(jìn)的ZCT-PWM,以及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細(xì)介紹和分析。這幾個(gè)改進(jìn)的拓?fù)?/strong>都實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟通斷,進(jìn)一步減小了開關(guān)損耗,效率大為提高,很值得進(jìn)一步研究和完善。