（电气工程专业论文）无源无损软开关脉宽调制变换器研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着半导体器件( 主要是有源开关器件) 技术的不断发展，p w m ( 脉宽调制) 变换器所能达到的开关工作频率越来越高，使得变换器( 主要是变换器中的高频 变压器、电感等磁性元件和电容) 的体积和重量越来越小，这有利于p w m 变换器 的设计及推广应用。此外，提高开关频率还能降低p w m 变换器的音频噪声，改善 其动态响应。 然而，常规的p w m 功率变换技术是种硬开关技术，即有源开关器件在电压 不为零时被强迫开通，在电流不为零时被强迫关断。这样，随着开关频率的提高， 有源开关器件的损耗将迅速增大，电路效率降低，使变换器处理功率的能力下降， 还会产生严重的电磁干扰( e m i ) 。具体而言，硬开关工作的p w m 变换器存在着 开通关断损耗、感性关断、容性开通、二极管反向恢复等方面的问题。 为解决p w m 变换器的以上问题，软开关技术是目前应用的主要方法，它一般 分为有源软开关技术和无源软开关技术两大类型，其中无源软丌关技术又可以分 为有损耗的无源软开关( 即一般的r c 吸收电路) 技术和无源无损软开关( 以下简 称p l s s ，p a s s i v el o s s l e s ss o f t s w i t c h i n g ) 技术两种。 本文主要研究p l s s 技术在p w m 功率变换器中的应用。在综合、分析已有的 各种p l s s p w m 变换器电路拓扑的基础上，本文重点提出了一种p l s s 全桥逆变 器拓扑，并对之进行了全面的理论和仿真研究，最后对这个新型p l s s 全桥逆变器 进行了实验验证。本文所取得的主要结论和成果如下： 1 ) 提出了一种新型的p l s s 全桥逆变器拓扑，并分析了该电路的工作原理和 过程。理论分析显示，此电路可以实现有源开关器件的软开关，并且零电压电容 上的能量直接回馈给负载，而同类电路中，零电压电容上的能量回馈一般要经过 多次谐振过程，因此所提出的新型p l s s 全桥逆变器原理简单，效率较高。这种新 型p l s s 全桥逆变器只在原电路基础上增加了8 个无源元件，根据作者阅读过的有 关研究文献判断，这是目前的p l s s 全桥逆变器拓扑中元件较少的电路之一。 2 ) 分析并得出了此新型p l s s 全桥逆变器的软开关工作条件：当电源电压、 负载电流和死区时间满足一定关系时，可以实现零电压电容的完全复位，从而实 现有源开关器件的零电压关断；如果不能满足，则此新型p l s s 全桥逆变器不能实 现开关器件的零电压关断，但是仍然可以实现其零电流开通。 3 ) 对所提出的新型p l s s 全桥逆变器电路进行了仿真验证。仿真结果表明， 在满足软开关工作条件时，这种新型p l s s 全桥逆变器能实现桥臂所有有源开关器 件的零电流开通与零电压关断。 重庆失学鞭士学位论文 串文摘要 4 ) 在理论和仿真分析的基础上，对所提如的p l s s 金桥逆变器进行了实验研 究。实验缝粟表明，在毫路戆软嚣关工传范爨斑，霹鞋实瑷存源开关嚣终懿软牙 关，并恩不影响原电路的控制策赡，前面部分对此p l s s 全桥逆变器进行的理论研 究和仿真分析是正确的。 5 ) 分板了一秘p l s s b o o n 变换器。对这个p l s s b o o n 变换器的工传骧理和 过程逡行了分章厅，攘导了电路中务主要电气交麓在各工作除段的表这式，并绘出 了它们的理论波形和仿真波形。理论分析和仿真结果表明，这个p l s s b o o s t 变换 器可以实现有源开哭器传的零电漉开通和零电愿关断，并且不影响原变换器的控 制策爨。 关键谰：软开关，光源无损软开必，p w m 变换器，全桥逆变器 h 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ( m a i n l ya c t i v es w i t c hd e v i c e s ) ， t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) c o n v e r t e r sb e c o m e sh i g h e r , w h i c hm a k e sp w m c o n v e r t e r s ( m a i n l yh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r s ，i n d u c t o ma n d c a p a c i t o r si nc o n v e r t e r s ) s m a l l e r , a n dt h i sw i l lb e n e f i td e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h e m w h a t sm o r e ，h i g i l e rs w i t c h i n gf r e q u e n c yw i l lr e d u c et h ea u d i o f r e q u e n c yn o i s ea n d i m p r o v ed y n a m i cr e s p o n s eo f p w m c o n v e r t e r s h o w e v e r , c o n v e n t i o n a lp w m c o n v e r s i o ni sal 【i n do fh a r d s w i t c h i n gt e c h n o l o g y t h a ti st os a y , a c t i v es w i t c hd e v i c ei st u r n e do nw i t hn o n z e r ov o l t a g e ，a n dt u r n e do f f w i t hn o n - z e r oc u r r e n t a n dt h e n , a ss w i t c h i n gf r e q u e n c yb e c o m e s h i g h e r , t h ed i s s i p a t i o n o fa c t i v es w i t c hd e v i c e sw i l li n c r e a s e q u i c k l y , w h i c hw i l l l o w e rc i r c u i t e f f i c i e n c y , w e a k e np o w e r - p r o c e s s i n ga b i l i t y , a n di n c r e a s ee m io fp w mc o n v e r t e r i nd e t a i l ， h a r d - s w i t c h i n gp w m c o n v e r t e rm e e t sp r o b l e m si nt u m o na n dt u r n o f fd i s s i p a t i o n ， r u m o f f w i t hi n d u c t i v el o a d ，c a p a c i t i v er u m o n ，r e v e r s er e c o v e r yo f d i o d e s ，a n ds oo n s o f t s w i t c h i n g i st h em a i ns o l u t i o nt oa b o v ep r o b l e m so fp w mc o n v e r t e ra t p r e s e n t i tc a nb ed i v i d e di n t ot w om a i nt y p e s ，i e a c t i v es o f t s w i t c h i n ga n dp a s s i v e s o f t s w i t c h i n g ，a n dp a s s i v es o s w i t c h i n gi n c l u d e sr cs n u b b e ra n dp l s s ( p a s s i v e l o s s l e s ss o f t - s w i t c h i n g ) n l i sp a p e rs t u d i e sa p p l i c a t i o no fp l s si np w m p o w e rc o n v e r t e r o nb a s i so f s y n t h e s i s a n d a n a l y s i s o fe x i s t i n gp l s s p w mc o n v e r t e r s ，t h i s p a p e rp r e s e n t s a p l s s - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t ，a n dm a k e st h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o ns t u d yo fi t i nt h e e n d ，a ne x p e r i m e n to ft h i sn o v e lp l s s - b r i d g ei n v e r t e ri sm a d e t h em a i nj o b sa n d c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , an o v e lp l s s - b r i d g ei n v e r t e r c i r c u i tw a sp r o p o s e d ，a n di t s o p e r a t i o n p r i n c i p l ew a sa n a l y z e d t h i sc i r c u i t c a nr e a l i z e s o f t s w i t c h i n go fa c t i v es w i t c h i n g d e v i c e sa n d e n e r g yo fz v c f e e d sb a c kt ot h el o a dd i r e c t l y , s oi t so p e r a t i o np r i n c i p l ei s s i m p l ea n de f f i c i e n c yi sh i g h t h i sn o v e lp l s s b r i d g ei n v e r t e rw o r k sw i t h8a d d i t i o n a l p a s s i v ed e v i c e s j u d g e df r o me x i s t i n gr e l a t e dr e s e a r c hd o c u m e n t s ，t h i si so n eo ft h e p l s s - b r i d g e i n v e r t e rw i t hl e a s td e v i c e s s e c o n d l y , o p e r a t i o nc o n d i t i o n so f t h i sn o v e lp l s s b r i d g ei n v e r t e ri sa n a l y z e da n d o b t a i n e d ：、i t l lc o r r e c tp o w e r s u p p l y , l o a dc u r r e n t ，a n dd e a d - t i m e ，z v cc a nb er e s e t ，a n d z e r o - v o l t a g et u r n o f fo fa c t i v es w i t c h sw i l lb ea c h i e v e d o t h e r w i s e o n l yz e r o c u r r e n t i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t u b - o no f t h e mc a nb ea c h i e r e d t h i r d l y , s i m u l a t i o ns t u d y o ft h i sn o v e l p l s s b r i d g e i n v e r t e ri s m a d e ，a n d s i m u l a t i o nw a v e f o r m sr e v e a l t h a ta l la c t i v es w i t c h e s z e r o c u r r e n tt u r n - o na n d z e r o v o l t a g et u r n o f f c a nb ea c h i e v e di nc o r r e c to p e r a t i o nc o n d i t i o n s f o u r t h l y , e x p e r i m e n ts t u d y o ft h e p l s s - b d d g e i n v e r t e ri sm a d eb a s e do n t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n de x p e r i m e n tr e s d t sv e i l f yt h ec o r r e c t n e s so f a b o v et h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o ns t u d y f i f t h l y , t h i sp a p e ra n a l y z e d ap l s s - b o o mc o n v e r t e r o p e r a t i o np r i n c i p l e a n d p r o c e s s o ft h ep l s s - b o o s tc o n v e r t e ra l ea n a l y z e da n dm a i ne l e c t r i c a lv a r i a b l e s e x p r e s s i o n s a l ed e r i v e d t h e s ee l e c t r i c a lv a r i a b l e s t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o n w a v e f o r m sa l eg i v e n ，w h i c hp r o v e st h a tt h i sp l s s b o o s tc o n v e r t e rc a nr e a l i z e sa c t i v e s w i t c h sz e r o c u r r e n tt u l n - o na n dz e r o v o l t a g et u r n o f f , a n dt h i sc o n v e r t e r sc o n t r o l m o d ew o n th ei n f l u e n c e d 、 k e y w o r d s ：s o f t s w i t c h i n g , p a s s i v e l o s s l e s s s o f t - s w i t c h i n g ，p w m c o n v e r t e r f u l l b r i d g ei n v e r t e r 重庆大学硕士学位论文 1 绪沦 1 绪论 1 1 硬开关功率变换器及其缺陷 p w m ( 脉宽调制) 功率变换技术从6 0 年代开始迅速发展，并广泛应用于工业 设备、家用电器、邮电通信、仪器仪表、军事装备等领域。p w m 变换技术的出现， 使功率变换器的设计出现了根本的变化，它不再需要笨重庞大的工频变压器，减 小了整个装置的体积和重量，提高了功率变换器的功率密度，变换器的整体效率 也大大提高。随着变换器所用的半导体器件( 主要是有源开关器件) 的不断发展， 它所能达到的开关工作频率也越来越高，使得开关变换器( 主要是高频变压器、 电感等磁性元件和电容) 的体积、重量越来越小；此外，开关频率的提高对降低 功率变换器的音频噪声和改善其动态响应也有好处。 然而，常规的d c d cp w m 功率变换技术是一种硬开关技术。所谓“硬开关”， 是指由于p w m 变换器中存在寄生参数( 比如变压器漏感、开关寄生电容、二极管 结电容等) ，使得有源开关器件在电压不为零时被强迫开通，或者在电流不为零时 被强迫关断，其工作波形如图1 1 所示【h 】。 硬嚣断。i 二二义二 波形u 八 硬开关开通 波形 图1 1 硬开关工作波形 f i g 1 1h a r d - s w i t c h i n g w a v e f o r m s 当功率变换器在硬开关状态下工作时，随着开关频率的提高，有源开关的损 耗会迅速增大，降低电路效率，使变换器处理功率的能力下降，还会产生严重的 电磁干扰( e m i ) 。具体而言，硬开关工作有如下几个缺陷1 1 】： 开通和关断损耗大 开关器件开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行：开关器件关断时， 开关管的电压上升和电流下降同时进行。这样在开关的动作过程中就形成了电压 和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。有源开关器件在一个周期内的开通和 关断损耗，分别等于在开通和关断过渡时间之内，其两端电压v 。和通过电流f 。乘 积的积分，即 重庆大学硕士学位论文1 绪论 既= 卜d t ，矽廿= 卜i s d t ( 1 1 ) ； 上式中r 。为一个周期内开关器件的开通时间，为关断时间。假设z 为开关 频率，则有源开关器件的开通和关断损耗功率分别为 p o = 兀w o ，= 兀 ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 可以看出，随着开关频率的提高，开关损耗的功率将成正比例增 大。 感性关断问题 开关功率变换器中一般存在着感性元件( 如电感器件和变压器漏电感、引线 电感等寄生电感) ，在开关器件关断时，感性元件上的很大，将会感应出很高 的尖峰电压加在开关器件上，容易造成开关管击穿。 容性开通问题 当开关器件在较高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部 耗散在开关管内，有可能造成开关器件过热损坏。 二极管反向恢复问题 二极管由导通状态变为截止时，存在着一个反向恢复期，在这期间二极管仍 处于导通状态，如果这时立即开通与其串联的有源开关器件，容易造成直流电源 瞬间短路，形成很大的冲击电流，不但会使有源开关器件和二极管的损耗大大增 加，还有可能导致它们损坏。 1 2 软开关技术 为了解决硬开关引起的诸多问题，使p w m 功率变换器可以在高频下稳定、高 效率地工作，从7 0 年代以来，国内外电力电子领域不断地研究高频软开关技术， 产生了大量的研究文献和实验成果。其中，根据软开关技术使用的主要器件类型， 可以分为使用了有源开关器件的有源软开关技术，以及只使用无源器件的无源软 开关技术。 1 2 1 有源软开关技术 有源软开关通常指的是“零电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) ”或者“零 电流开关( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g ，z c s ) ”。它是利用l c 元件的谐振原理，使开 关变换器的开关管的电流( 或者两端电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电压自 然过零时，使器件开通，或者当电流过零时，使器件关断1 1 。 由有源软开关的工作过程可知，开关器件开通时是在其两端电压先下降到零 后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，另外，由于器件开通前 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 电压已经下降到零。器件结电容上的电压也为零，所以解决了容性开通问题。这 同时意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题也 不再存在。开关器件关断时，电流先下降到零，电压稃缓慢上升到断态值，所以 关断损耗也近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流也为 零，所以也解决了感性关断问题。 利用软开关技术，功率变换器的开关频率可以提高到兆赫( m h z ) 级的水平。 近数十年来，国内外已经研究并得到应用的各种有源软开关变换技术的发展历程 如表1 1 所示5 1 。 表1 1 有源软开关变换技术的发展历程 1 1 时间名称应用 7 0 年代串联或并联谐振技术半桥或全桥变换器 8 0 年代中准谐振或多谐振技术单端或桥式变换器 8 0 年代末z c s p w m 或z v s p w m单端或桥式变换器 8 0 年代末移相全桥z v s p w m全桥变换器 9 0 年代初z c t - p w m 或z v r - p w m单端或桥式变换器 在表1 1 中，串联或并联谐振技术，以及准谐振或多谐振技术中的辅助电路都 不含有源开关器件，但是由于它们的工作原理与其他有源软开关技术是一脉相承 的，因此为了区别于r c 缓冲电路和无源无损软开关，本文在此将其归类于有源软 开关技术进行分析【i 邙l 。 串联或并联谐振技术 串联或并联谐振是利用谐振原理，使电路工作于谐振状态，开关管零电压开 通或零电流关断，以减小开关损耗，并降低e m i 噪声。由于存在着l c 谐振，所 以开关管的电流和电压应力较高，使得开关管的通态损耗增加：由于l c 谐振频率 固定，只能通过调节开关频率使占空比变化，从而调节输出电流或输出电压，因 此谐振变换电路的开关频率是变化的，这增加了控制电路的复杂性，并且使输入、 输出滤波器的设计变得困难。 准谐振或多谐振技术 准谐振技术在d c d cp w m 变换器的软开关设计中较早被提出，其特点是电 路的谐振工作阶段只占开关周期的一小部分。由于准谐振变换器不能使电路中的 有源开关器件和二极管同时具有软开关条件，后来又提出了多谐振变换器，多谐 振变换器的特点是电路中谐振拓扑和参数不止一个。在高频情况下( 如开关频率 重庆入学硕士学位论文 l 绪论 大于5 0 0 k h z 时) ，通常利用功率元件的寄生电感和电容或外加电感和电容，实现 准谐振或多谐振，以达到霉电压或者零电流开关的目的。 准谬摄秘多谐振变换器嗣谴摄一谨， 楚荽逶过灞繁嚣关凝辜寒实凌羧窭邀嚣豹 调节，同样增加了控制、驱动、输出滤波器的设计难度。 z c s - p w m 或z v s - p w m 技术 在普通p w m 变换器申，增加一个含寿源开关嚣 孛豹褰蠡助电路，镬摄变换嚣谯 开关瘸齄内，主功率元佟按脓宽调制( p w m ) 方式工作；逶过控露辅助开关，侵 主功率元件在开关变换时，按准谐振变换器的方式工作，以实现z c s 或者z v s ， 前者称为z c s p w m 变换游，后者称为z v s p w m 炎换器。变换器工作于恒频状 态。逮嚣，交换器甄毒零彀援或零毫滚瓣款开关糁熹，又有p w m 瞧频谖宽懿饶患， 电路的效率较高。 z c p w m 或z v t _ p w m 技术 z c s - p w m 或z v s p w l v l 变换嚣的谐振电感是串联崔主电路中，壤褥交换嚣鹣 零开关条辞与电源电压稠负载交纯范阐有关，在轻羧辩不易实琰软开关。懿聚将 谐振网络与燕开关并联，就可改善软开必条件，这种变换器称为零电流转换一p w m ( z e r o - c u r i e n t - t r a n s i t i o n - p w m ，z c t - p w m ) 变换器，或者零电压转换一p w m ( z e r o - v o l t a g e t r m r s i t i o n - p w m ，z v t - p w m ) 变挨嚣，绞豫为零转换交换嚣。这 种有源软开关技术的导通损耗和开关损耗最小，能实现软开关特性而不增加燕开 关的电压、电流应力，适用于较高压和大功率变换器。 1 2 2 无滚软舞关技术 无源较搿关技术蠢丽电感、毫容、二极管等秃滚嚣侔来实现麓率变换器懿软 汗关。一般来说，无源软歼关利用电感电流不能突变的特性来实现开关器件的零 电流开通，利用电容电压不能突变的特性来实现开必器件的零电压关断。根据辅 劲电爨是否产生瓣燕攫裁，颦分荛毫损糕瓣r c 啜浚激溪嚣无损糕熬无添无撰较羚 关两种。 r c 吸收电路【5 1 r c 吸收电路又称r c 缓冲电路，也霹鼓穆菇无源软开关，但怒宅是“有损”的， 邋为它包含奄辍。 据文献介绍，功率晶体管在感性负载、反向基极偏置条件下关断时最容易发生 二次击穿。它搓感性负载下关断时的伏蜜特性如图1 2 所示。由图中可见，在关联 拜重，集毫掇嘏渡在最秘聆羧( 嚣孛l 患爨2 熹) 下簿褥菲耄缓慢，嚣集亳投鞠发 射极之间的墩压则迅速升掰，然后电流才迅速从2 点下降到3 点，直到晶体管究 全关断。晶体管关断时伏安特性曲线的轨迹要经过商电压大电流区，需要耗散很 大豹瞬时功率。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 2 功率晶体管在感性负载下关断时的伏安特性 f i g 1 2 t u r n - o f f v o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c o f p o w e r t r a n s i s t o r w i t h i n d u c t i v e l o a d 此外，在推挽、全桥和半桥的开关电源中，由于高频变压器漏感储能的作用， 在晶体管关断时，集电极会形成电压尖峰。关断电压越高，在高功耗区滞留的时 间越长，晶体管越容易二次击穿。 因此，为了保护开关器件，有必要将感性负载下电流下降太慢的伏安特性曲 线的轨迹进行适当修正，使其接近电阻负载性质或者稍带容性，令关断时通过开 关器件的电流迅速下降。实际上，就是通过将高压开关管关断时需要耗散的一部 分能量进行转移，使其关断伏安特性曲线避开高功耗区域，便能解决二次击穿的 防护问题。 图1 _ 3 为一种带二极管的r c 吸收电路，在晶体管开关器件关断时兼具修正伏 安特性曲线和抑制电压尖峰的作用。 i 肌“ i d 2 。 ，、j 。t 图1 3 含二极管的r c 吸收电路 f i g 1 3r c s n u b b e tw i t hd i o d e s 图1 3 中，当晶体管l ，关断时，电容c 通过二极管d ，充电，这样集电极电流 有了分路，因此通过晶体管开关器件的电流下降较快。而集电极电压的上升速度 取决于电容c 的充电速率，它将是缓慢的。这样，晶体管由原来关断时的电流缓 慢下降、电压迅速上升变为电压缓慢上升而电流迅速下降，原来往外凸起的伏安 特性曲线被修正成直线或者稍微向内凹，从而减小了开关器件上的关断损耗，如 图1 4 所示。 重庆火学硕士学斑论文 妊。 图1 4 功率龉体管在r c 吸收电路作用下荚断时的伏安特性 f i g 1 4 t u r n - o f f v o r - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i co f p o w e r t r a n s i s t o r w i t h r cs n u b b e r 在鑫搭饕勤重鼗导遴跨，电容0 遴避逛疆露秘嚣，袭宅。 无源涎损软开关( p a s s i v el o s s l e s ss o f t s w i t c h i n g ，p l s s ) 技术及其国内外 研究现状 r c 吸收电路实际上怒一种“有损”的戈滚较开关技术，其特赢楚把原来消趣在 开关器侔中静能量改为由邀疆消耗，强傺护开关器传。由蓝容易慧到，如果搬开 关器件的开通和关断能爨进行回收( 回馈到电源或者负载) ，则可以构成无源戈损 软开关。 + 嚣藏嚣内夕 对手无滚燹缓较开关豹磅究文献，鲶大黎势是文漱撵者对象纛舞 出的单个无源无损软开关电路进行分析，缺乏系统憔的理论。目前没有发现对无 源无损软开袋进行全面、科学的分类的文献。 下文将以一些实际铡予来介绍国内外对无源无损软开关熬研褒现状1 9 - 4 2 1 。 福髑大学电气工程系静栋周布毒工2 0 0 2 年在i e e e 上发表的文章轮1 提出了 种新型的无源无损缓冲型软开关电路。其电路拓扑如图1 5 所示。 图1 5 耩周蠢提窭靛茏深茏损缓冲黧敬舞关逛鼹 f i g , 1 5p l s s c i r c u i tp r o p o s e db yl i n z h o u b u 这个p l s s 电路在变换嚣豹电感嚣土附加一个耦合绕组，以感威电势自举来提 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 高零电压电容c ，的电势，使其高于输出电压圪，从丽使零电压电昝g 中的能鬣直 接对负载释放，实现其露损耗的复位。这个电路结构简单，储能元件的能量网馈 较浃，效率羧褰。 中国电源学会荣誉理攀长丁道宏教授在无损缓冲电路与软开关技术一文1 3 0 l 中介绍了几种无源无损的汗通缓冲电路、关断缓冲电路以及开通关断复合缓冲电 路，下瑟介绍。 图1 6 鞭示的p l s s 魄鼹中，缓冲魄感0 带有一个反激式次缀绕维。殍美嚣件 开通时，电感l 使功率开关器件s 的电流只能从零开始增大，寅现零电流开通。 在开关器件芙断时，由次级绕组将l 上的储能返回魄源，实现炙损。 莲1 6 一静搿遴嚣源缓狰电糖 f i g 1 6 a t u r n - o i l p l s sc i r c u i t 丁道宏激授认为，为了实现零电压关断，零电愿电容的连接方式可以是与有 滚拜关器转纛接莠联，瞧戳跨接于开关嚣臀与亳源瓣一个黎予之阕。 图1 7 ( a ) 所示的缓冲电路是零电压电容与开获器件并联的电路。开关器件 关断时，零电压电容q 充电使得开关器件s 两端电聪只能从零增大，实现零嘏腻 关断。当开必嚣佟s 再次等通时，o 缀过文g 、易、协放电，q 教完电对，瓤 中电流这至黻犬，麓羹转移至l 中。陡螽。中静毫浚将经过伤、移，向岛缝绥充 电，能量由砧转到。中，最后由白搬能量转移到负载，实现无损。 图1 7 ( b ) 所示的缓冲电路中零电压电容位于滞关器件与电源负端之间。开 关爨搏导逶辩，电源经过岛绘电容g 、q 充电，稳悫辩礁严 0 一班。警秀关器 件关断时，驻然其两端电蕊开始时为零，可以实现零电压关断。溆容c 卜q 则向 负载放电，实现无损。电感l 的作用魑为了减小电昝充电时的冲击电流，保护开 关管s 。 7 重庆大学硕十学位论文 绪论 r 玎 丁r 1f 。5 密j i 。上 丁 ( a ) 关断无源缓冲电路l( b ) 关断无源缓冲电路2 ( a ) at u r n o f f p l s sc i r c u i t( b ) at u m - o f r p l s sc i r c u i t 图1 7 两种关断无源缓冲电路 f i g 1 7 t w o t u r n o f f p l s sc i r c u i t s 图1 8 中，与开关器件s 串联的电感l 可以实现零电流开通，与开关器件s 并联的电容。可以实现零电压关断。在s 开通时，c j 经过s 、三、c 2 、d s 放电， 当c ，放完电时，中电流最大，能量由。转移到三中。随后，中能量经过g 、 d j 、d j 继续释放，能量转移到。中，由q 转移到负载，实现无损。 图1 8 一种复合无源缓冲电路 f i g ! 8a t u r n - o n & t u r n - o f f p l s sc i r c u i t 浙江大学的何湘宁教授等2 0 0 2 年在i e e e 上发表的文章【3 9 】中介绍了一种针对 桥式功率逆变电路的新型p l s s 拓扑，实现桥臂上开关管的零电流丌通、零电压关 断以及续流二极管反向恢复调节的改善。如图1 9 所示。 图1 9 中，假设开始时上桥臂开关器件阳j 处于载流稳态，两个，r 关器件互补 工作。当啊关断时，啦开通，啊由g 、d ，、g 容性支路旁路，实现了零电压 关断。由于通过厶、厶的电流不能突变，感性负载电流，删也不能突变，所以下 桥臂开关器件m 实现了零电流开通。当喝关断时，其软开关工作过程与此相似。 此p l s s 电路所有的暂态能量皆由g 暂时保存，当嘎开通时，能量通过哺向 厶传递，进而回馈到电源。 重庆大学硕士学位论文i 绪论 圈i 9 一种薪型p l s s 耩式遂变嚣拓扑 f i g 1 9 an o v e lp l s sb r i d g ei n v e a e r 美国密敝擞捌立大学憋气巍计算极王程系戆p e n gf a n gz 。等人2 0 0 2 年在i e e e 上发表的文章【8 】提出了一种应用予p w m 逆交器静光源软开关缓冲电路。在这个 电路中，实现软开关的电路部分和能鼹回馈电路部分各自独立，因此，可以在哄 用一个能量网馈电路的情况下，使用多个软开关缓冲电路( 见图1 1 0 中阴影部分 掰示) ，涛p l s s 疑单令撰罄扩震蛩多个辑骛。电路络秘翅圈1 1 0 掰示。 能量鄹嫒电路 软开关缓冲电路 豳1 1 0 一种p l s s 桥式逆变器拓扑 f i g 1 1 0 a p l s sb r i 电e i n v e r t e r 鑫本三蠢畦气栋式会校懿m n a k a m u m 等天2 0 0 1 年在i e e e 上发表静文素b 越 详细讨论了种b o o s t 型p l s s 电路。这个电路在歼关器件s 导邋时利用电感l ， 上电流不能突变的特性实现零电流开通；在关断时，开关器件s 两端电压随着电 容c 1 秀溃龟瓤一起增大，嶷撬零电压荚颧。无源髅戆元释。霸g 上筑旋量经避 9 重庆大学硕士学位论文 绪论 q 暂存，然后回馈到负载。 图1 1 1 一种p l s s b o o s t 变换器电路 f i g 1 1l ap l s sb o o s tc o n v e r t e r 以上用一些实例介绍了国内外对无源无损软开关的研究现状。可以看出，在 目前的p l s s 相关文献中，多数作者仅对自己提出的单个p l s s 电路进行分析，缺 乏系统性的理论。但是，也有个别例外。比如，美国加州大学i r v i n e 分校( u c i ) 的k m s m i t h 和k m s m e d l e y 对p l s s 的实现条件和电路结构类型做了比较系统 的分析，总结出了一些具有普遍性的理论。本论文的第二章将引用他们的一些理 论。 1 2 3 有源和无源无损软开关技术的比较 有源软开关技术是由软开关控制区控制开关器件，利用辅助的l c 谐振网络， 使开关器件两端的电压和通过的电流在过渡瞬态谐振过零，这种技术具有开关损 耗最小、不影响p w m 变换器原控制策略等优点。但是，其谐振能量必须足够大， 以创造零电压开关或者零电流开关条件。使用这种技术，辅助电路的自身功耗， 以及可能出现的较高的通态电流等因素将产生附加损耗，并且增加电路和控制的 复杂性，从而提高成本，降低可靠性1 9 , 1 2 ，4 3 4 卯。 p l s s 技术是在原来有损耗的r c 吸收电路的基础上，利用开关管开通和关断 的状态变化，将用于缓冲开通或者缓冲关断的储能元件所吸收的能量，以无源方 式回馈到电源或者负载，实现储能元件的复位。这种技术以比较简单的电路拓扑 和较小的额外损耗，可以获得接近于有源软开关的效果。p l s s 技术的特点是将开 关状态过渡期间的电压和电流波形错开，使电压和电流的交叠面积变得很小，从 而显著降低开关损耗。虽然p l s s 技术不能解决开关器件内部寄生电容产生的放电 损耗，但是这种损耗很低，甚至有可能低于有源软开关中辅助开关器件带来的附 加损耗。有源软开关使用了辅助开关器件，而p l s s 只使用了二极管和其他谐振器 件，因此其成本较低，可靠性更高【9 ，1 2 , 牡4 2 1 。 有源软开关技术和p l s s 技术中都利用了l c 谐振原理，不同的是，有源软开 重庆大学碗士学位论文 关直接利用谐振来实现开荧器件的零电压开通和零电流关断，而p l s s 技术只利用 谐振来回馈能量，以实现无损。 文熬f l 镯程理论势摄秘实验熬基琏土谈为，在大功攀应薅薅掇下，无淫软开关 的总体效率啜高；而在小功率应用中，有源软开关的效率更高。 1 3 论文鑫勺主要工作 为辩决p w m 变换器存在的开关援糕、感懂美断、容性开遥、二极管反自像复 等方面的问题，软开关技术是目前应用的主要方法。 本文主瓣研究无源无损软开关( p l s s ) 技术在p w m 功率变换器中的应用。 在综会、分褥基骞靛套羲p l s s p w m 交换器电路壤矜豹基稿主，零文将重患镑j 重 p l s s 全桥逆变器进行理论研究，提出一个p l s s 全桥逆变器电路拓扑，详细分析 其工作原理，并通过仿真和实验进行验证。本文即将进行的主要工作如下： 1 ) 对爨虢的各萃中p l s s 技术的原理，以及它们农p w m 交换爨中的应翅方法 避行综台分凝，葬虽分嗣嘏摅p l s s 功熊酶不同、交捩器主舞关疲力大小静不弼对 p l s s 进行分类。 2 ) 提出并详细分析种新型的p l s s 全桥逆变器拓扑。首先根据有关原理潮 方注提爨令p l s s 全耪逆变器龟路拓羚，然爱努叛该邀爨豹工传鞭理，按照惫疆 的工作状态变化，得出备个阶段的等效电路，并报导电路中各主要电气变量在各 阶段的表达式，给出它们f i 勺理论波形。 3 ) 分辑北掰型p l s s 众耩逆变器的软_ 牙关工作袋馋。 4 ) 对掰撬出的耨型p l s s 全轿遂焱器电路进行饶粪研究。 5 ) 在理论和仿真分析的基础上，对所提出的p l s s 全桥逆变器进行实验研究。 6 ) 目前p l s s 技术研究的主要对致除了多开关器件的桥式逆变器之外，还有 攀开关器终鹣p w 酝交换嚣。霾筵本文矮将嚣一个p l s s b o o s t 交换器避厅理论努 析和仿真研究。 重庆大学硕士学位论文 2 无源无损软开关技术 2 无源无损软开关技术 2 1 无源无损软开关工作原理 要实现无源软开关，有两个必需的元件：一个小电感和一个小电容。小电感 称为零电流电感( z c l ，z e r o c u r r e n ti n d u c t o r ) ，其作用是实现有源开关器件的零 电流开通，并限制二极管的反向恢复电流；小电容称为零电压电容( z v c ， z e r o v o l t a g ec a p a c i t o r ) ，其作用是实现有源开关器件的零电压关断。要实现无源软 开关的无损耗工作，则要回收z c l 和z v c 中的能量【”2 “。 2 1 1z c l 和z v c 在电路中的位置 零电流电感一般与有源功率开关器件串联在电路中，其原理是利用电感电流 不能突变的特性，在开关器件开始导通时，使通过有源开关器件的电流从零开始 增大。通过调节z c l 的大小，可以调节通过有源开关器件的电流上升的斜率d i d t 。 零电压电容一般与有源功率开关器件并联在电路中，其原理是利用电容电压 不能突变的特性，在开关器件关断的时候，使有源开关器件两端电压从零开始增 大。通过调节z v c 的大小，可以调节有源开关器件两端电压上升的斜率d rj ，t i t 。 z c l 与z v c 在电路中的一般接法如图2 1 所示。 z v c 图2 1z c l 与z v c 在p l s s 电路中的一般接法 f i g 2 1 c o n n e c t i o no f z c l & z v ci np l s sc i r c u i t 在设计实际的p l s s p w m 变换器电路时，为了实现有源开关器件的零电流开 通和零电压关断，z c l 和z v c 在电路中的位置还必须满足一些条件，这些条件对 于单开关器件的p w m 变换器和多开关器件的桥式逆变器略有不同1 1 9 - 2 6 | ： 1 ) 在单开关器件的p w m 变换器中，有源开关器件零电流开通的条件是 有一个z c l 被串联在包含开关器件s 、但是不包含任何电感器件的所有回路中。 如果此p w m 变换器只有一个包含开关器件s 、但是不含任何电感器件的回路，则 z c l 串联在这个回路中任何一个位置，都可以实现这个有源开关器件的零电流开 通。但是，为了避免影响原p w m 变换器的工作特性，z c l 不能串联在输出电容c 所在支路等位置。 例如，对于一个普通的b o o s t 变换器，z c l 可放在图2 2 中所标示的5 个位 重庆大学硕士学位论文 2 无渊无损软开荧技术 置之一。不过，虽然将z c l 置于图2 2 中的处也可以实现丌关器件s 的零电流 开通，但是它会对负载电压和反馈控制电路产生不利影响，因此一般不予采用。 图2 2b o o s t 变换器中z c l 的多种位置 f i g 2 2z c l l o c a t i o n si nb o o s tc o n v c r t c r 这个条件的证明见参考文献 2 6 1 。 2 ) 在单开关器件的p w m 变换器中，有源开关器件s