第4章 DC／DC高频功率变换

1、现代电力电子学 第4章DC/DC高频功率变换 第4章DC/DC高频功率变换 4.1软开关直流变换器 4.2三电平DC/DC变换器 4.3同步整流技术 4.4交错并联技术 4.5本章小结 4.1软开关直流变换器 4.1.1直流变换器软开关的分类 4.1.2谐振变换器 4.1.3LLC谐振变换器 4.1.4PWM软开关变换器 4.1.5移相控制全桥变换器 4.1.1直流变换器软开关的分类 1.硬开关的概念 2.软开关的概念 3.软开关的分类 在直流变换器中，开关管工作在导通和截止两个状态，由于导 通压降和漏电流很小，其导通损耗和截止损耗均近似为零，因 此直流变换器比传统线性调节器(又称线性电源)的

2、效率高。开 关管从导通状态变为截止状态的过程称为开通(Turn-on)，而开 关管从截止状态变为导通状态的过程称为关断(Turn-off)。在分 析直流变换器的工作原理时，通常假设开关管是理想器件，其 开通和关断是瞬时完成的，也就是说，开通和关断时间为图4-1 硬开关时开关管的电压和电流波形零。但实际上，开关管并不 是理想器件，其开通和关断过程是需要时间的，如图4-1所示。 1.硬开关的概念 1.硬开关的概念 图4-1硬开关时开关管的电压和电流波形 1.硬开关的概念 图4-2硬开关条件下的开关轨迹 2.软开关的概念 减小开关损耗的途径就是减小开关过程中电压与电流的交叠时 间。可采取以下方法来减

3、小开通损耗： 1)开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率， 如图4-3a所示，从而减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的 零电流开通。 2) 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压 开通，如图4-3b所示，此时，开通损耗基本减小到零。 3) 同时做到上述两点的情况下，开通损耗为零。 2.软开关的概念 可以采取以下几种方法： 1)在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是零电流关断。 2)在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升 率，如图4-3b所示，从而减小电流与电压的交叠区，这就是 零电压关断。 3) 同时做到上述两点的情况下，关断损耗为零。 图4-3软开

4、关时开关管的电压和电流波形 a) 零电流开通b) 零电压开通 2.软开关的概念 图4-4软开关条件下的开关轨迹 2.软开关的概念 3.软开关的分类 1) 全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器(Resonant Converter s)，其特点是负载一直谐振工作，参与能量变换的全过程，所 以又称该类变换器为负载谐振型变换器。 2) 准谐振变换器(Quasi Resonant Converters，QRCs)和多谐振变 换器(Multi Resonant Converters，MRCs)。 3) 零开关(Zero Switching)脉宽调制(Pulse Width Modulation，P WM

5、)变换器。 4) 零转换(Zero Transition) PWM变换器。 4.1.2谐振变换器 1. 谐振变换器的电路拓扑 2. 谐振变换器的控制策略 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-5谐振变换器通用框图 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-6输入电压和开关单元的激励波形 a) 电压源b) 电流源 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-7输入电压和开关单元构成的激励源 a) 全桥b) 半桥c) 不对称半桥d) 全桥电流源 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-8两元件谐振单元 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-9三元件谐振单元 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-10整流滤波单元 a) 电感电容滤波b

6、) 电容滤波 1. 谐振变换器的电路拓扑 图4-11几种典型的谐振变换器 a) 串联谐振变换器b) 并联谐振变换器c) LCC谐振变换器d) LLC谐振变换器 2. 谐振变换器的控制策略 图4-12不同开关频率时的谐振单元电压和电流波形 a) /2b) /2 2. 谐振变换器的控制策略 图4-13/2时开关管的工作情况 a) 关断b)开通 4.1.3LLC谐振变换器 1. 工作原理 2. 基本特性 1. 工作原理 图4-15LLC谐振变换器 a) 主电路b) 主要波形 1. 工作原理 图4-16各开关模态的等效电路 a) ，b) ，c) ，d) ， 2. 基本特性 图4-17LLC谐振变换器的

7、简化电路 2. 基本特性 图4-18LLC谐振变换器的输入输出电压传输比 4.1.4PWM软开关变换器 1.电路拓扑 2. 工作原理 1.电路拓扑 谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器都采用频率调制的 方法，其开关频率变化范围较宽，很难优化设计变压器、电感 和电容等元器件。因此有必要将谐振变换器和PWM变换器结合 起来，既可以实现软开关，又可以实现恒频开关。PWM软开关 变换器在准谐振变换器的基础上，加入辅助开关管，将谐振元 器件的谐振过程切分为两个阶段。当主开关管需要开关时，辅 助开关管先工作，让谐振元件谐振，为主开关管创造软开关的 条件，因此主开关管可以实现PWM控制。虽然该类变换器中谐

8、 振元器件不是一直谐振工作，但谐振电感串联在主功率回路中， 损耗较大。同时，与准谐振变换器一样，开关管和谐振元器件 的电压应力和电流应力很高。 2. 工作原理 1) 开关模态1t0，t1:在t0时刻之前，主开关管VT和辅助开关 管VTa处于截止状态，升压二级管VD导通。 2) 开关模态2t1，t2：La开始与Cr谐振，iLa继续上升，而Cr 的电压ucr谐振下降。 3) 开关模态3t2，t3：在该模态中，La电流通过VDQ续流， 此时可以零电压开通VT,如图4-22c所示。 4) 开关模态4t3，t4：t3时刻关断VTa，加在La两端的电压为， La的电流线性下降，其能量转移到负载中。 5)

9、开关模态5t4，t5：在此模态中，VT导通，VD关断。 6) 开关模态6t5，t6：在t5时刻关断VT，此时升压电感电流 给Cr充电，Cr的电压从0开始线性上升。 2. 工作原理 7) 开关模态7t6，t7：该模态与基本的Boost电路一样，Lb和 Uin给滤波电容Cf和负载供电，如图4-22g所示。 2. 工作原理 图4-19不隔离的ZVT PWM变换器 a) Buckb) Boostc) Buck- Boostd) Cuke) SEPICf) Zeta 2. 工作原理 图4-20隔离的ZVT PWM变换器 a) Forwardb) Flybackc) Cukd) SEPIC 2. 工作原理

10、 图4-21Boost ZVT PWM变换器的主要波形图 图4-22在不同开关状态下的等效电路 a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ， g) ， 2. 工作原理 4.1.5移相控制全桥变换器 1. 工作原理 2. 主要特性 1. 工作原理 1) 开关模态1t0，t1：在t0时刻之前，VT1和VT4导通，Uin向 负载传递能量。 2) 开关模态2t1，t2：VD3导通后，可以零电压开通VT3。 3) 开关模态3t2，t3：在t2时刻，关断VT4，ip给C4充电，同 时给C2放电。 4) 开关模态4t3，t4：VD2在t3时刻自然导通后，将VT2的电 压箝在零位，此时可以零电压开通VT2

11、。 5) 开关模态5t4，t5：在t4时刻，ip由正值过零，并且向负方 向增加，流过VT2和VT3。 6) 开关模态6t5，t6：在这段时间里，Uin给负载供电，ip=-Io /K。 1. 工作原理 图4-23主电路及主要波形 a) 主电路b) 主要波形 图4-24各种开关状态的等效电路 a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ， 1. 工作原理 2. 主要特性 (1) 开关管的ZVS实现 (2) 占空比丢失 (1) 开关管的ZVS实现 由上面的分析可知，并联电容用来实现开关管的零电压关断， 但要实现零电压开通，必须要在开关管开通之前，将其电荷放 到零，因此需要足够的能量来抽走即将开通的

12、开关管并联电容 上的电荷；给同一桥臂关断开关管的并联电容充电；如果考虑 变压器的一次绕组电容，还要一部分能量来抽走其上的电荷。 (2) 占空比丢失 占空比丢失是移相控制ZVS全桥变换器的一个特有现象，它是 指二次占空比Dsec小于一次占空比Dp，其差值就是占空比丢失 Dloss，即Dloss=Dp-Dsec。 产生占空比丢失的原因是存在一次电流从正向(或负向)变化到 负向(或正向)负载电流的时间，即图4-23b中的t2，t5和t8， t11时段。在这段时间里，虽然一次侧有正电压方波或负电压 方波，但一次侧不足以提供负载电流，二次侧整流桥的所有二 极管导通，负载处于续流状态，其两端电压为零。 4

13、.2三电平DC/DC变换器 4.2.1多电平变换器的分类 4.2.2基本的三电平变换器 4.2.3隔离型三电平变换器 4.2.1多电平变换器的分类 图4-25多电平逆变器 a) 二极管箝位型b) 飞跨电容型c) 级联型 4.2.1多电平变换器的分类 图4-26二极管箝位型的基本TL变换器 a) Buckb) Boostc) Buck-Boostd) Cuke) SEPICf) Zeta 4.2.2基本的三电平变换器 1. Buck 2. Boost 4.2.2基本的三电平变换器 图4-27飞跨电容型基本TL变换器 a) Buckb) Boostc) Buck-Boostd) Cuke) SEP

14、ICf) Zeta 1. Buck (1) 工作原理 (2) 外特性 (3) 优点 1. Buck 图4-28Buck TL变换器 (1) 工作原理 图4-29不同开关模态的等效电路 a) V和V同时导通b) V导通，V关断c) V导通，V关断 d) V和V同时关断e) 电感电流等于零 (1) 工作原理 图4-30电感电流连续时Buck TL变换器的主要波形 a) D0.5b) D0.5 (2) 外特性 图4-31电感电流断续时Buck TL变换器的主要波形 a) D0.5b) D0.5 (2) 外特性 图4-32Buck TL变换器的外特性 (3) 优点 1)电压应力。 2)滤波电感。 3)

15、滤波电容。 1)电压应力。 从前面的分析可知，Buck TL变换器中的开关管和续流二极管 的电压应力仅是输入电压的一半，与Buck变换器相比，均减小 一半，有利于选择合适的开关管。 2)滤波电感。 图4-33Buck TL变换器与Buck变换器电感电流脉动值的比较 a) 输入电压恒定时b) 输出电压恒定时 3)滤波电容。 图4-34Boost TL变换器 2. Boost (1) 工作原理 (2) 控制特性 (3) 优点 (1) 工作原理 图4-35不同开关模态的等效电路 a) V和V同时导通b) V导通，V关断c) V导通，V关断 d) V和V同时关断e) 电感电流等于零 (1) 工作原理

16、图4-36电感电流连续时Boost TL变换器的主要波形 a) D0.5b) D0.5 (1) 工作原理 图4-37电感电流断续时Boost TL变换器的主要波形 a) D0.5b) D0.5 (2) 控制特性 图4-38Boost TL变换器的控制特性 (3) 优点 1) 电压应力。 2) 升压电感。 3) 滤波电容。 1) 电压应力。 前面分析表明，Boost TL变换器中的开关管和升压二极管的电 压应力仅是输出电压的一半，与Boost变换器相比，均降低一半。 2) 升压电感。 图4-39Boost TL变换器与Boost变换器电感电流脉动值的比较 a) 输入电压恒定时b) 输出电压恒定时

17、 3) 滤波电容。 在Boost TL变换器中，每只滤波电容上的电流脉动频率等于开 关频率，即在一个开关周期内，每只滤波电容充放电一次。如 果电流脉动相等，同时要求滤波电容电压脉动相等，Boost TL 变换器的每只输出滤波电容容量与Boost变换器的相等，但电压 定额低一半。也就是说，总体的输出滤波电容容量减小一半。 4.2.3隔离型三电平变换器 1.隔离型三电平变换器的种类 2.半桥TL变换器 3.复合全桥TL变换器 1.隔离型三电平变换器的种类 图4-40隔离型TL变换器 a) 正激b) 反激c) 推挽d) 半桥e) 复合全桥f) 全桥 隔离型TL变换器包括正激、反激、推挽、半桥、复合全

18、桥 和全桥六种，如图4-40所示。 2.半桥TL变换器 (1) 工作原理 (2) 主要特点 2.半桥TL变换器 图4-41ZVS半桥TL变换器 a) 主电路b) 主要波形 (1) 工作原理 1)开关模态1t0，t1(见图4-42a)：在t0时刻之前，VT1和VT2导 通，VDR1导通，VDR2截止。 2) 开关模态2t1，t2(见图4-42b)：VD5导通后，将VT4的电压 箝在零位，此时可以零电压开通VT4。 3) 开关模态3t2，t3(见图4-42c)：在t2时刻关断VT2，ip给C2 充电，同时通过Css给C3放电。 4) 开关模态4t3，t4(见图4-42d)：VD3导通后，可以零电压

19、 开通VT3。 5) 开关模态5t4，t5(见图4-42e)：ip反方向流动，流经VT3和 VT4。 (1) 工作原理 6) 开关模态6t5，t6(见图4-42f)：在这段时间里，电源给负 载供电。 图4-42各种开关状态的等效电路 a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ， (1) 工作原理 (2) 主要特点 1) 开关管的电压应力。 2) 开关管的ZVS实现。 3) 占空比丢失。 3.复合全桥TL变换器 (1) 工作原理 (2) 主要特点 (1) 工作原理 图4-43HFB TL变换器 (1) 工作原理 图4-44HFB TL变换器的控制策略 a) 三电平模式b) 两电平模式 (1)

20、 工作原理 图4-45HFB TL变换器的等效电路图 a) +1模态b) +1/2模态c) +0模态d) -1模态e) -1/2模态f) -0模态 (2) 主要特点 1) 开关管的电压应力。 2) 输出滤波电感。 3) 输出整流二极管电压应力。 1) 开关管的电压应力。 从图4-45中可以看出，三电平桥臂开关管的电压应力为Uin/2， 两电平桥臂开关管的电压应力为Uin。 2) 输出滤波电感。 2) 输出滤波电感。 图4-46HFB TL变换器和全桥变换器的比较 a) 滤波电感电流脉动b) 输出整流二极管电压应力 3) 输出整流二极管电压应力。 如果采用全波整流模式，当HFB TL变换器工作在

21、3L模式和2L 模式下时，其输出整流二极管电压应力为 UDR=2Uin/K(3L模式) Uin/K(2L模式) (4-61) 全桥变换器的输出整流二极管电压应力为 UDR=2Uin/K (4-62) 4.3同步整流技术 4.3.1同步整流技术的基本概念 4.3.2同步整流管的驱动时序 4.3.3同步整流管驱动电路分类 4.3.4同步整流双向驱动方式 4.3.5同步整流单向驱动方式 4.3.1同步整流技术的基本概念 图4-47MOSFET的符号 4.3.2同步整流管的驱动时序 图4-48同步整流管的驱动时序 4.3.2同步整流管的驱动时序 图4-49同步整流管提前开通 a) Q导通b) S提前开

22、通 4.3.3同步整流管驱动电路分类 图4-50同步整流管电流双向流动驱动方式 a) 电路图b) 主要波形 4.3.3同步整流管驱动电路分类 图4-51同步整流管电流单向流动驱动方式 a) 电流检测方法b) 电压检测方法c) 电流连续模式d) 电流断续模式 4.3.4同步整流双向驱动方式 1.驱动逻辑信号 2. 它驱式电路 3. 自驱式电路 1.驱动逻辑信号 图4-52带复位绕组的正激变换器 a) 电路图b) 同步整流管的驱动逻辑信号 1.驱动逻辑信号 图4-53有源箝位正激变换器 a) 电路图b) 同步整流管的驱动逻辑信号 1.驱动逻辑信号 图4-54反激变换器 a) 电路图b) 同步整流管

23、的驱动逻辑信号 1.驱动逻辑信号 图4-55推挽变换器 a) 全波整流b) 倍流整流c) 同步整流管的驱动逻辑信号 1.驱动逻辑信号 图4-56半桥变换器 a) 全波整流b) 倍流整流c) 对称控制d) 不对称控制 1.驱动逻辑信号 图4-57全桥变换器 a) 全波整流b) 倍流整流c) 基本控制 d) 有限单极性控制e) 移相控制 1.驱动逻辑信号 表4-1各种变换器的同步整流管驱动逻辑信号 2. 它驱式电路 图4-58同步整流它驱式电路 2. 它驱式电路 图4-59开通延时设置 3. 自驱式电路 图4-60同步整流自驱动电路 a) 正激变换器二次整流电路b) 全波整流电路c) 倍流整流电路

24、 3. 自驱式电路 图4-61正激变换器的主要波形 a) 加复位绕组b) 有源箝位 3. 自驱式电路 图4-62加辅助绕组的同步整流自驱动电路 a) 正激变换器二次侧整流电路b) 全波整流电路c) 倍流整流电路 4.3.5同步整流单向驱动方式 1) 开关模态1 t0，t1 (见图4-64a)：在t0之前，栅极电容电压、 励磁电感电流和同步整流管电流均为零。 2) 开关模态2 t1，t2(见图4-64b)：在t1时刻，CG电压谐振上 升到同步整流管的门槛电压，使得它开始导通，iSR流过其沟道。 3) 开关模态3 t2，t5 (见图4-64c)：当CG电压达到UoN2/N3时， VD1导通，将得C

25、G电压箝在该值，由此同步整流管得到一个稳 定的驱动电压。 4) 开关模态4 t5，t6(见图4-64d)：由于iSR减小，绕组N2的电 流开始小于iLm，这时CG放电，其电压降低，VD1截止。 4.3.5同步整流单向驱动方式 5) 开关模态5 t6，t7 (见图4-64e)：由于CG电压高于门槛电压， 因此iSR过零后继续反向流动。 6) 开关模态6 t7，t8(见图4-64f)：在这段时间里，Lm和CG谐 振工作，CG电压下降并为负，并在t8时刻反向上升到-UoN2/N4， 此时VD2导通，将CG电压箝在该值。 7) 开关模态7 t8，t9 (见图4-64g)：当VD2导通后，-UoN2/N

26、4 加在Lm上，使其电流线性下降，其能量回馈到负载中。 8) 开关模态8 t9，t10(见图4-64h)：在这段时间里，CG反向 放电，与Lm谐振工作。 4.3.5同步整流单向驱动方式 从上面的分析可以看出，该电流型驱动电路有以下特点： 1)其驱动电压幅值是恒定的，不受输入电压和负载变化的影响； 2)驱动变压器的励磁能量回馈到负载，效率高； 3)适用于电流连续模式和电流断续模式； 4)适用于各种变换器及各种整流方式。 4.3.5同步整流单向驱动方式 图4-63电流型驱动同步整流电路 a) 电路图b)主要波形 图4-64同步整流各个开关模态等效电路 a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f)

27、， g) ，h) ， 4.3.5同步整流单向驱动方式 4.4交错并联技术 4.4.1交错并联技术的基本概念 4.4.2交错并联变换器 4.4.3交错并联变换器和多电平变换器的对比 4.4.1交错并联技术的基本概念 当电源装置输出功率较大，无法选择到合适电流定额的开关管 时，一般可以采用多只开关管并联的方法。为了保证这些开关 管共同分担电流，需要慎重挑选，使它们的特性尽量一致。同 时在布板时，也要使它们的电流通路尽量对称或一致。为了满 足大功率的需求，另一种方法是采用多个变换器并联，除了采 用必要的输出均流措施外，对变换器的开关频率、电感、电容、 功率器件、控制电路等的一致性没有要求，这样可以避

28、免挑选 开关管以及布板的苛刻要求。当n个变换器并联时，如果各变 换器之间的相移为2/n，总的输入和输出电流纹波最小，此时 我们称这些变换器是交错(Interleaved)并联的。 4.4.2交错并联变换器 1. Buck变换器 2. 正激变换器 3. 双端变换器 1. Buck变换器 图4-65两个Buck变换器并联 1. Buck变换器 1. Buck变换器 图4-66两个Buck变换器并联的主要波形 a) D0.5 1. Buck变换器 图4-67输出电流脉动比较 2. 正激变换器 上面是以Buck变换器为例，讨论了交错并联的优点，其他的变 换器也具有这样的优点。正激变换器的并联有两种方法，一种 在滤波电感之前，一种是在滤波电感之后，如图4-68所