- 零轉(zhuǎn)換PWM DC-DC變換器的拓?fù)渚C述
- 一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器
- ZCZVT-PWM變換器
1 引言
為了減小功率變換器的體積、重量和開(kāi)關(guān)損耗,提高開(kāi)關(guān)頻率和工作效率,在DC-DC變換器中常采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓(零電流)開(kāi)通或 關(guān)斷。具體的方法有四種: 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,它克服了前面三種結(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(kāi)關(guān)管并聯(lián);在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間,諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振,獲得零開(kāi)關(guān)條件;在開(kāi)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(lái)了四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(1)功率開(kāi)關(guān)器件工作在軟開(kāi)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?。?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(duì)這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)S1及二極管D1組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。
在每次主開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通前,先導(dǎo)通輔助開(kāi)關(guān)管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(kāi)通, S1處于一種非常不好的硬開(kāi)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(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān),減少開(kāi)關(guān)損耗。下面對(duì)這幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)分別予以介紹
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2.2 改進(jìn)拓?fù)渲?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />
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 和兩個(gè)二極管 ,但卻同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管T1和輔助開(kāi)關(guān)管T2的軟通斷,以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中,假定:(1)輸入電壓 為常數(shù),主電感 足夠大,輸入電流
為常數(shù);(2) 輸出電容 足夠大,輸出電壓為常數(shù); (3)諧振電路是理想的;(4)緩沖電感 << ;(5)忽略半導(dǎo)體器件的電壓降和寄生電容;(6)忽略 其它二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。
設(shè)初始狀態(tài)為:主功率開(kāi)關(guān)管 及輔助開(kāi)關(guān)管 均為關(guān)斷狀態(tài),輸出整流二極管 處于導(dǎo)通狀態(tài)。 。電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的工作過(guò)程可分為7個(gè)模態(tài):
模態(tài)1 在 時(shí)刻, 導(dǎo)通, 線性下降, 線性上升,直到 , ,該模態(tài)結(jié)束;
模態(tài)2 在 時(shí)刻, 達(dá)到最大反向恢復(fù)電流,主二極管 關(guān)斷, 開(kāi)始諧振,直到 放電到零,轉(zhuǎn)到模態(tài)3;
模態(tài)3 在 時(shí)刻, 自然導(dǎo)通;
可見(jiàn),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷,輔助開(kāi)關(guān)管T2在零電流下導(dǎo)通和零電壓下關(guān)斷,兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是軟通斷,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬通斷的缺點(diǎn),減少了關(guān)斷損耗。
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2.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
圖3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3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(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中,假設(shè)與1.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為: ,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為7個(gè)模態(tài):
可見(jiàn),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管 在ZVS條件下通斷,輔助開(kāi)關(guān)管 在零電壓、零電流的條件下關(guān)斷與開(kāi)通,兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是軟通斷,改善了開(kāi)關(guān)環(huán)境,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn),減小了關(guān)斷損耗。
2.4 改進(jìn)拓?fù)渲?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />
圖4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4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(kāi)關(guān)管S1在零電壓下開(kāi)通和關(guān)斷,輔助開(kāi)關(guān)管 S2在零電流下開(kāi)通和關(guān)斷,從而克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn),減小了開(kāi)關(guān)損耗,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)開(kāi)關(guān)都是軟開(kāi)關(guān)。
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(kāi)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5所示,則能實(shí)現(xiàn)主 開(kāi)關(guān)在ZCS下關(guān)斷,消除關(guān)斷損耗。但是,其輔助開(kāi)關(guān)仍然是硬開(kāi)關(guān),而且,其輸出整流二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題,導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過(guò)改變控制 策略,使輔助開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)一些,可以實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)管在ZCS下關(guān)斷,但輔助開(kāi)關(guān)管的峰值電流將較大。
3.2 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
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(kāi) 和嵌位二極管 交換位置,能實(shí)現(xiàn)所有的開(kāi)關(guān)管在ZCS下通斷,并減小了輔助開(kāi)關(guān)管的峰值電流。但它的整流二極管 仍存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題。
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3.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
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的各項(xiàng)缺點(diǎn),如圖6所示。與圖5的普通ZVT-PWM變換器相比,該改進(jìn)的拓?fù)湓谠骷?shù)量方面沒(méi)有增減,只是改變了組合方式,但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)S和輔助開(kāi)關(guān)管 的軟通斷,并解決了輸出整流二極管 嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中,假設(shè)與1.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為:主功率開(kāi)關(guān)管S及輔助開(kāi)關(guān)管 均為關(guān)斷狀態(tài),輸出整流二極管 處于導(dǎo)通狀態(tài)。 ,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為8個(gè)模態(tài):
可見(jiàn),該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管 都在較小的 下軟開(kāi)通,在ZCS下關(guān)斷,而且在主開(kāi)關(guān)管S上沒(méi)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(kāi)關(guān)技術(shù),即用盡量少的輔助元件,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(kāi)關(guān)管同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換,如圖7所示。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中,假設(shè)與1.2基本相同,并設(shè)初始狀態(tài)為:主功率開(kāi)關(guān)管S及輔助開(kāi)關(guān)管 均為關(guān)斷狀態(tài),輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài), ,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為14個(gè)模態(tài):
可見(jiàn),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管S同時(shí)在零電壓和零電流條件下開(kāi)通和關(guān)斷,輔助開(kāi)關(guān)管 在零電流條件下開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。
5 總結(jié)
零轉(zhuǎn)換PWM DC-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PWM DC-DC變換器仍存在一些問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題,人們提出了許多新的改進(jìn)拓?fù)洹1疚膶?duì)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)涠紝?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管的軟通斷,進(jìn)一步減小了開(kāi)關(guān)損耗,效率大為提高,很值得進(jìn)一步研 究和完善。