新型ZVZCT軟開(kāi)關(guān)PWM變換器的研究

摘要:提出一種新型的ZVZCT軟開(kāi)關(guān)PWM變換器,主開(kāi)關(guān)管電壓電流為互相錯(cuò)開(kāi)的梯形波(4個(gè)零、4個(gè)斜坡)，輔助管為零電流通斷，特別適用于以IGBT為開(kāi)關(guān)器件的高壓大功率場(chǎng)合。通過(guò)理論分析、參數(shù)選擇、電路仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該變換器加以說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：ZVZCT軟開(kāi)關(guān)變換器

A Study of Novel ZVZCT Soft－ Switching PWM Converters

Abstract:The paper presents a novel ZVZCT soft－ switching PWM converter:the voltage and current waveforms of the transistor are ladder－ shaped and stagger each other, and auxiliary switches are turned on and off under zero－ curent.It is very attractive for high power application where IGBT is predominantly used as the power switches. Theoretical analysis,parameters selection,computer simulation and experiment results are presented to explain the proposed scheme. Keywords: ZVZCT Soft－ switching Converters

1引言

　　在高壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開(kāi)關(guān)損耗高。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通常選用較大容量的開(kāi)關(guān)器件輔以吸收電路，但開(kāi)關(guān)頻率難以提高。為解決這些問(wèn)題，近年來(lái)提出了許多軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，這些軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的小型化、輕量化和低成本中起著重要的作用。在大功率場(chǎng)合比較成功的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能減小開(kāi)關(guān)損耗、降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力和EMI，提高工作可靠性。在利用輔助電路構(gòu)成的軟開(kāi)關(guān)變換器中，盡管輔助管的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)主電路較小，但若輔助管也采用IGBT以適應(yīng)高電壓、大功率的輸出要求，則輔助管軟換流通斷也極為重要了，而且從可靠性和降低EMI角度考慮，輔助管也應(yīng)該采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。文[1]（ZVT）接通損耗減小了，開(kāi)關(guān)應(yīng)力也小了，但主管和輔助管都是硬關(guān)斷，在大功率場(chǎng)合占開(kāi)關(guān)損耗主要部分的關(guān)斷損耗并沒(méi)有明顯減小。文[2]（ZCT）主管雖為零電流關(guān)斷，但輔助管是硬關(guān)斷，也不適合于大功率場(chǎng)合。本文提出了一種新型的ZVZCT軟開(kāi)關(guān)PWM變換器——主開(kāi)關(guān)管電壓電流為梯形波，相互錯(cuò)開(kāi)，即有2個(gè)平頂、2個(gè)平底和4個(gè)零、4個(gè)斜坡，輔助管為零電流通斷，適用于高電壓、大功率場(chǎng)合。

2工作原理與理論分析

　　圖1為新型軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，圖2為其工作波形，圖1中電感L1、L2構(gòu)成一個(gè)耦合電感，在分析過(guò)程中用一個(gè)電流源和一個(gè)電壓源等效，其漏感Lk可視為諧振電感LR1的一部分。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)濾波電感LF足夠大，輸入可看作一個(gè)恒流源，濾波電容足夠大，輸出可看作一個(gè)恒壓源。圖3所示，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期由八個(gè)工作狀態(tài)組成：

　　（1）T0－T1：T0之前，主開(kāi)關(guān)S1和輔助開(kāi)關(guān)S2、S3均關(guān)斷，整流二極管D導(dǎo)通。在T0時(shí)，輔助管S3導(dǎo)通（零電流），諧振電感LR1線性充電性Ii/2(Ii為濾波電感電流)，整流二極管零電流關(guān)斷，線性充電時(shí)間

　?。?）T1－T2：T1時(shí)iD=0，整流二極管D關(guān)斷，LR1通過(guò)S3與C1發(fā)生諧振，同時(shí)耦合電感副邊L1的電流通過(guò)D2流到負(fù)載，輔助開(kāi)關(guān)承受較小的電流。

圖1新型ZVZCT軟開(kāi)關(guān)電路拓樸

圖2新型軟開(kāi)關(guān)PWM變換器的工作波形
S1—主管S1脈沖S3—輔助管S3脈沖
S2—輔助管S2脈沖VDS—主管漏源電壓
IS—主管漏極電流iLR1—電感LR1電流
iRL2—電感LR2電流VD—主二極管電壓
ID—主二極管電流IS2—輔助管S2漏極電流
IS3—輔助管S3漏極電流

C1放電直到T2時(shí)VC1=0，此時(shí)ωT12=π,，

T2=T1＋T12。（3）T2－T3：T2時(shí)，VC1=0，反并二極管導(dǎo)通，此時(shí)給主開(kāi)關(guān)管S1加上觸發(fā)脈沖，S1零電壓零電流接通，，諧振電感中能量反饋到負(fù)載，諧振電感電流iLR1線性放電。當(dāng)時(shí)，iLR=0，此時(shí)關(guān)斷輔助開(kāi)關(guān)管S3可使輔助管零電流關(guān)斷，T3=T2＋T23。

　　在S3導(dǎo)通期間，除了上述幾個(gè)過(guò)程外，還有以下兩種狀態(tài)：

　　①T0－T30期間LR2通過(guò)D5、S3與C2、C3發(fā)生諧振。

　　②T30－T3期間LR2通過(guò)D5、S3、D7與C2發(fā)生諧振。

　?。?）T3－T4：T3以后，iLR1=0，iLR2=0，流過(guò)S3的漏源電流為零，因此以后關(guān)斷S3均可使S3實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，而且在T3時(shí)主開(kāi)關(guān)管S1的漏源電流達(dá)到濾波電感LF的電流Ii，電路恢復(fù)到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。

　?。?）T4－T5：T4之前，主開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，C2電壓已充電到－Vc2max。取C2=C3=C，則。諧振電流iLR2迫使開(kāi)關(guān)管S1的漏源電流iDS=Ii－iLR2以正弦規(guī)律減小，當(dāng)ωt=π/2時(shí)，達(dá)到最大值，從該式可以看出，為了獲得零電流關(guān)斷，,當(dāng)主開(kāi)關(guān)管電流降為零時(shí)，它的反并二極管導(dǎo)通，此時(shí)關(guān)斷主管可實(shí)現(xiàn)零電流零電壓關(guān)斷。此段時(shí)間間隔：,T5=T4＋T45

　?。?）T5－T6：主開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷后，電感電流Ii對(duì)C2、C3繼續(xù)充電，當(dāng)VC3=V0時(shí)，D6導(dǎo)通，LR2、C2通過(guò)D6、D繼續(xù)諧振，直到iLR2=0時(shí)D1截止，停止諧振。

圖3八個(gè)不同工作狀態(tài)的等效電路

　　（7）T6－T7：T6以后，流過(guò)輔助管S2的漏源電流為零，此后給輔助管S2加關(guān)斷信號(hào)可使S2零電流關(guān)斷，而且T6以后整流二極管已完全導(dǎo)通，電路又回到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。T7時(shí)輔助管S3導(dǎo)通，電路又重復(fù)上一個(gè)周期的工作。

3參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(jì)

　　（1）輔助管脈沖寬度的確定

　　輔助管S2的脈寬≥為主開(kāi)關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的準(zhǔn)備時(shí)間T45＋電感LR2中能量全部釋放的時(shí)間T56。輔助管S3的脈寬≥為主開(kāi)關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)零電壓接通的準(zhǔn)備時(shí)間（T01＋T12）＋電感LR1中能量全部釋放的時(shí)間T23。

　　本設(shè)計(jì)中取T01＋T12=0.05T,T45=0.03T,其中T為開(kāi)關(guān)周期。

　?。?）設(shè)置電流系數(shù)Ki

　　Irm為流過(guò)電感LR1電流的最大值。Ki值大于1。

　?。?）設(shè)置電壓系數(shù)KV

　　Vc2max為電容C2的最高電壓，KV≥1。

　?。?）諧振電感、電容的計(jì)算

　?、倭汶妷航油ㄟ^(guò)程（ZVT）　由ZVT的動(dòng)作原理可知，主開(kāi)關(guān)管是零開(kāi)通損耗，關(guān)斷時(shí)靠電容C1緩沖減少關(guān)斷損耗，定性地說(shuō)較大的C1有利于減小關(guān)斷損耗，但C1越大，存儲(chǔ)的能量C1VDS2越多，C1能量再經(jīng)諧振轉(zhuǎn)移到LR1上使電流峰值增高，關(guān)斷損耗增大?？梢?jiàn)這部分諧振能量究竟取多大，才能使主開(kāi)關(guān)管的總損耗最小是設(shè)計(jì)此電路的關(guān)鍵。

其中Ii取電感電流最大值PO/Vimin,（PO為輸出功率），C1包括諧振電容、主管寄生電容和整流二極管的結(jié)電容。

　?、诹汶娏麝P(guān)斷過(guò)程（ZCT）　從ZCT的工作原理可知，主管是零關(guān)斷損耗，關(guān)斷時(shí)靠諧振回路的分流使主開(kāi)關(guān)管的電流發(fā)生轉(zhuǎn)移，為實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，諧振回路電流最大值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，因此應(yīng)根據(jù)以下公式，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾妷合禂?shù)來(lái)計(jì)算諧振電容和電感。

3．2功率器件的選擇

　　設(shè)計(jì)功率器件時(shí)，主要應(yīng)根據(jù)兩個(gè)基本參數(shù)來(lái)選擇。第一個(gè)參數(shù)是功率器件截止時(shí)的耐壓值，第二個(gè)參數(shù)是功率器件在導(dǎo)通時(shí)所能承受的最大電流值。這兩個(gè)參數(shù)的選擇是由開(kāi)關(guān)變換器的類型決定的。表1列出了新型軟開(kāi)關(guān)電路中幾個(gè)主要功率器件的電流、電壓應(yīng)力。

表1開(kāi)關(guān)管與二極管的電流電壓應(yīng)力

注：表中D為占空比

　?。?）輔助管S2：輔助管S2僅在T4－T6流過(guò)電流，在一個(gè)周期的其它時(shí)間電流均為零。T4－T5時(shí)，LR2通過(guò)S1、D1、S2與C2、C3發(fā)生諧振，流過(guò)S2電流按正弦規(guī)律上升，。T5－T6時(shí)LR2、C2通過(guò)D6、D諧振，S2電流減小，直到T6時(shí)iLR2=0。在T5時(shí)，電流達(dá)到最大值Ii。

　?。?）輔助管S3：輔助管S3僅在T0－T3導(dǎo)通。在此期間有兩條支路的電流流過(guò)輔助管S3。一路來(lái)自電感LR1的電流，另一路來(lái)自電感LR2的電流。

　　從上述幾個(gè)式子可以看出：支路1在T0－T3期間電感LR1電流最大值出現(xiàn)在T1≤t≤T2期間，且其最大值為。最大值出現(xiàn)的時(shí)刻

　支路2期間電感LR1電流最大值出現(xiàn)在（T0≤t≤T30）期間，最大值為。

　　流過(guò)S3的電流為上述兩條支路中電感電流之和，所以為減小S3的電流應(yīng)力，在選擇諧振元件參數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮兩條支路出現(xiàn)電流最大值的時(shí)刻錯(cuò)開(kāi)。

4仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在Vin=90～120V,P0=400W,V0=200V,f=100kHz條件下算出：LR1=30μH,LR2=10μH,C1=330pF,C2=C3=8.2nF。在上述參數(shù)下對(duì)ZVZCT軟開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行仿真。圖4為主要器件電壓、電流的仿真波形。從仿真波形可以看出，主開(kāi)關(guān)管S1零電流、零電壓通斷，開(kāi)關(guān)電壓、電流為梯形波，相互錯(cuò)開(kāi)，即有兩個(gè)平頂、兩個(gè)平底和四個(gè)零、四個(gè)斜坡，輔助開(kāi)關(guān)管S2、S3也實(shí)現(xiàn)了零電流通斷。圖5、圖6為實(shí)驗(yàn)波形，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出主管和輔助管都實(shí)現(xiàn)了零電流通斷，與理論分析和仿真結(jié)果一致。

圖4新型ZVZCT軟開(kāi)關(guān)PWM變換器電路仿真波形

圖5ZVZCT－PWM變換器主管電壓電流波形

圖6ZVZCT－PWM變換器輔助管S2、S3電流波形

5結(jié)論　　本文構(gòu)造出一種新型ZVZCT軟開(kāi)關(guān)PWM變換器，通過(guò)理論分析和電路仿真，找出一種新型的軟開(kāi)關(guān)控制規(guī)律，使主開(kāi)關(guān)管電壓、電流為梯形波，相互錯(cuò)開(kāi)，即有兩個(gè)平頂、兩個(gè)平底和4個(gè)零、4個(gè)斜坡，具有如圖7所示的理想的軟開(kāi)關(guān)特性，并已通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。由于主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了四個(gè)零，且有T2－T3和T6－T7的電壓電流錯(cuò)開(kāi)時(shí)間，消除了電壓和電流的交疊現(xiàn)象、降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作效率；四個(gè)斜坡減小了、，使開(kāi)關(guān)應(yīng)力減小，提高了開(kāi)關(guān)器件的壽命和工作可靠性，同時(shí)也能解決硬開(kāi)關(guān)PWM變換器引起的EMI問(wèn)題，二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題等，具有重要的理論意義。

圖7理想的軟開(kāi)關(guān)波形

　　該新型軟開(kāi)關(guān)變換器由于主管和輔助管都實(shí)現(xiàn)了零電流通斷，主管和輔助管均可用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件用于高電壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。