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文档简介
1、一族新颖的ZCS-PWM变换器的研究 摘要:分析了一个新的零电流开关(ZCS)单元电路的特性。基于这个ZCS的单元电路,构建了一个新的ZCS的Boost电路,并对他们的工作机理进行了分析,而且在这个ZCS单元电路的基础上构建出更多的ZCS变换器。实验和仿真结果验证了理论分析。 关键词:单元电路;零电流开关;升压电路;变换器 0 引言 在中功率开关变换器中,为了提高功率密度,通常都采用提高开关频率的方式。但是随着频率的提高,开关损耗也增加,因此必须采用软开关技术来降低
2、开关损耗。准谐振变流器可以工作在高开关频率和软开关状态下。但是,这一类零电流开关谐振技术也受到大电流、高电压或者频率调制的影响。可以在谐振电路中增加辅助开关和辅助的无源元件,实现恒频控制,降低电流和电流应力。但是,这一类电路的主要缺点就是主开关的电流应力比较高,导通损耗较大。本文提出一种新的ZCS-PWM单元电路。通过将谐振回路按照不同的方向分开,从而强制谐振电流不在所有的开关器件中流通,以降低电流应力。 1 新型ZCS-PWM工作机理分析 图1所示为传统的ZCS-PWM变换器的基本单元及其对应的ZCS-PWM Boost变换器。为了降低主开关管的电流应力,
3、如图2所示,在传统单元电路的基础上,增加了辅助二极管DS1和DS2,在一个谐振周期中,谐振回路被分开了。只有半个周期的谐振电流流过每个开关管,因此减轻了S1和S2的电流应力。图3是在图2所示单元的基础上构建的ZCS-PWM Boost变换器。图4所示为图3所示Boost电路的主要仿真波形。图5所示为该电路在一个工作周期中的各个工作状态。变换器在一个开关周期内的各个工作模态分析如下。 图1 传统ZCS-PWM电路和Boost变换器 图2 改进后的ZCS-PWM单元电路 图3 基
4、于新单元电路的ZCSPWM Boost变换器 图4 图3中所示电路的电流电压仿真波形 (a)模式1(t0前) (b)模式2(t0t1) (c)模式3(t1t2) (d)模式4(t2t3) (e)模式5(t3t4) (f)模式6(t4t5) (g)模式7(t5t6) 图5 电路在一个开关周期的各种工作模式 1)0
5、t0主开关S1断开,D1导通,输入电压Vin经输入电感L1向负载传递能量。 2)t0t1S1导通,电流由D1转向S1,S1电流以V0/Lr的速度增长。因为Lr存在,S1是零电流开通。 3)t1t2S1、D1电流转换结束,L1由Vin充电储能。 4)t2t3在t2时刻,辅助开关S2导通,由Cr和Lr构成谐振电路,当谐振进行到1/2周期时,Cr上的电压等于Vin,流经S2中的电流iS2为0。因为DS2的存在,S2为零电流关断。 5)t3t4在下半个谐振周期开始时,谐振电流流经S1和DS1,流经S1的电流iS1开始减小。 6)t4t5当流经DS1的谐振电流大于Iin时,S1的体二极管导通,S1实现零
6、电流关断。 7)t5t6当谐振电流减小至Iin时,S1的体二极管关断,L1以恒流Iin对Cr进行充电,当Cr上的电压达到VinV0时,DS1关断。 之后,又开始下一个周期的工作。 2 新的ZCS-PWM Boost变换器族 基于前面提出的ZCS-PWM单元电路和Boost变换器,按照单元电路在Boost电路中不同的位置构建不同ZCS-PWM Boost变流器。图6所示的Boost电路就是由图3所示的Boost电路衍生出的一族ZCS-PWM Boost电路。图6中所示的单元电路的工作机理同样也可以用上述方法进行分析。通过分析可以看出,这4个结构的工作步骤与图3
7、类似,通过在Boost电路上增加新型的辅助电路,在一个谐振周期中,把谐振回路分成两个部分,这样流过每个开关管的谐振电流只有半个周期,因此减轻了S1和S2的电流应力,同时也减小了整个电路的损耗。因为这些电路都是基于Boost电路进行构架,而且仅仅在结构上有所不同,电路整个周期的工作原理相同,于是把这5个电路归纳为同一族ZCS-PWM Boost电路。 (a)衍生电路之1 (b)衍生电路之2 (c
8、)衍生电路之3 (d)衍生电路之4 图6 带有一个电感的ZCS-PWM boost转换器 3 实验结果 为了验证理论分析,进行了实验。按照图3中提出的Boost变换器,构建了一台1kW的DC/DC样机。输入为DC 90150V,输出为DC 375V,开关频率为95kHz。如图7所示,在输入电压为90V时所测得的电流波形与图4的仿真波形相吻合。图7
9、中所示的流经开关的电流波形和整流二极管的电压波形,与驱动信号相吻合。样机的效率如图8所示。为了说明新的变换器的优点,与传统的ZCS-PWM变换器(图1)进行了比较。 (a)vgs2与igs2波形 (b)vgs1与igs1波形 (
10、c)iD1与vD1波形 图7 实验波形 图8 当输入为150V时传统电路和改进电路的效率 表1为主要器件的参数,在满负载情况下,改进型ZCS电路的效率提高了1.5。表1为电路中所使用的器件列表。 表1 电路中的主要元器件 改进电路 传统电路 S1 IRG4PC50 S2 IRG4PC40 Lr 14H Cr 22nF DS1 MUR860 / DS2 MUR860 / D1 2×MUR860 seriesconnection 4 结语 本文介绍了一族新型的ZCSPWM单元电路。此
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