一种新型的零电压零电流转移DC_DC变换器

1、第27卷第22期中国电机工程学报V ol.27 No.22 Aug. 2007一种新型的零电压零电流转移DC-DC变换器林国庆(福州大学电气工程与自动化学院,福建省福州市350002A Novel Zero-voltage and Zero-current Transition DC-DC ConverterLIN Guo-qing(School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian Province, ChinaABTRACT:a novel zero-voltag

2、e and zero-current transition dc-dc converter is presented in the paper. Soft-switching of the main switch and auxiliary switches can be achieved by using two auxiliary resonant networks. The proposed converter has such advantages as zero-voltage and zero-current turn-on and zero-voltage and zero-cu

3、rrent turn-off for the main switch without increasing voltage and current stress, zero-current turn-on and turn-off for auxiliary switches. It is very attractive for high power application where igbt is predominantly used as the power switches. Its operation principle is analyzed through its applica

4、tion to the boost converter. The condition of soft-switching and the design considerations are analyzed in detail. The novel soft-switching cell can be also used in other basic dc-dc converters. Some experimental measurements are used to verify the theoretical prediction and analytical discussion.KE

5、Y WORDS: zvzct;soft-switching; DC-DC converters摘要: 提出了一种新型的零电压、零电流转移DC-DC变换器,即通过采用两条辅助谐振网络实现了全部主、辅开关管的软开关,主开关管实现了零电压零电流开通、零电压零电流关断,开关管电压电流应力小,辅助开关管实现了零电流通断,特别适用于以IGBT作为开关器件的高电压大功率场合。并以其在Boost变换器的应用为例分析了它的工作原理,软开关实现条件,给出了谐振参数的设计方法,该软开关设计思想可以推广到其它基本的DC-DC变换器中。电路仿真和实验结果验证了所提出的方案是可行的。关键词:零电压零电流转换;软开关;DC

6、-DC变换器0 引言硬开关PWM变换器以其拓扑结构简洁、控制方式简单、工作频率恒定以及输出调节特性好而得到广泛应用。在高压、大功率应用场合,功率器件承受的电压、电流应力大,开关损耗大,并且电压基金项目:福建省自然科学基金(E0510008;福建省科技三项(K04011。尖峰和电流浪涌带来的电磁干扰可能影响变换器的正常工作。在传统的设计中通常需用较大容量的开关器件辅以吸收电路,开关频率难以提高。为解决这些问题,近年来国内外提出了许多软开关技术1-8,如谐振开关技术、零开关技术和零转移技术等。其中零转移变换器由于采用辅助网络9-16,利用辅助开关控制谐振元件的谐振过程,在保持PWM变换器优点的同时

7、实现了软开关,减少了开关损耗,成为电力电子领域的研究热点。尽管目前出现许多新型电路拓扑,但仍存在着一些不足,如开关管电压电流应力大、辅助管不能实现软开关、主开关管不能实现4个零、存在较大环流能量等。本文提出了一种新型的零电压、零电流转移软开关DC-DC变换器,它通过采用两条辅助谐振网络实现了全部主、辅开关管的软开关,主开关管电压电流应力小,可用于IGBT作为开关器件的高电压、大功率场合。1 电路拓扑与工作原理图1为新型零电压零电流软开关电路拓扑,其中辅助谐振网络分别由辅助开关管S2、谐振电感L r1、谐振电容C1和辅助开关管S3、谐振电感L r2、谐振电容C2组成。电感L1、L2构成一个耦合电

8、感,匝比为1,在分析过程中用一个电流源i L2(流过L2电流和一个电压源U L1( L1两端电压等效。为简化分析,假设电路中所有元器件都是理想的,输入滤波电感L f足够大,用恒流源I i代替,输出滤波电容C0足够大,用恒压源U0代替。设t=t0以前,主开关管S1和辅助开关S2、S3均关断,谐振电容C2的电压为U c2max。一个开关周期内有8种运行模式,如图2所示。第22期林国庆: 一种新型的零电压零电流转移DC-DC 变换器 107L fU inS 1S 2S 3C 1C 2C 0L 1L 2L r 1L r 2 DD 2 D 4 D 5D 3 D 1图1 新型ZVZCT 软开关电路拓扑Fi

9、g. 1 The proposed ZVZCT soft-switching converterL r 2 L r 1L r 1 i L 2 I ii L 2I iU 0 U 0U 0 I iU L 1 C 2C 1 L r 1L r 2I iI ii L 2 I iI iI iC 1 C 2L r 2 L r 2C 2(a t 0t 1 (b t 1t 2(c t 2t 3 (d t 3t 4 (e t 4t 5 C(f t 5t 6 (g t 6t 7 (h t 7t 8 U L 1图2 8个不同工作状态的等效电路Fig. 2 Equivalent circuits for eight t

10、opological stages(1模式1(0t 1t :0t 时,辅助管S 2零电流导通,有2种工作情况:电感1r L 电流由零线性充电至I i /2,1Lr i =2Lr i = I i /2,整流二极管电流D i 120L L i I i i =,整流二极管D 零电流关断,线性充电时间0110/2i r t I L U =;2r L 通过S 2、D 3与2C 发生谐振,有2max 2242sin (C Lr r Ui t t Z = (122max 24cos (c C u U t t = (2式中:2221/r L C =;222/r r Z L C =。 经过1/2谐振周期后停止谐

11、振,这一段时间可能延续到模式2和模式3。(2模式2(1t 2t :1t 时,0D i =,整流二极管D 关断,1r L 通过2S 与1C 发生谐振,有011111sin (2Lr i r U i I t t Z =+ (3101111cos (2C u U t t =+ (4式中:1112/r L C =;1112/r r Z L C =。1C 电压1C u 逐渐降低,同时耦合电感次级电流2L i 通过2D 流到负载,辅助开关承受较小的电流应力,这个阶段时间12111/2r t L C =。(3模式3(2t 3t :2t 时,10C u =,主开关管体内反并二极管D 1导通,此时给主开关管S

12、1加上触发脉冲,S 1零电压接通。谐振电感1r L 电流1021/2(/Lr i r i I U t t L =,谐振电感1r L 中能量反馈到负载,谐振电感线性放电,流过主开关管S 1电流 线性增加,S 1为零电流接通。当2310/2i r t I L U =时,1Lr i =0,辅助管S 2电流20S i =,此后到辅助管S 3开通前任何时刻关断辅助开关管S 2均可实现辅助管S 2零电流关断。(4模式4(3t 4t :3t 时,主开关管S 1的漏源电流达到滤波电感f L 的电流i I ,电路恢复到传统的PWM 工作状态。(5模式5(4t 5t :4t 之前,主开关S 1导通,2C 电压已充

13、电到2max c U 。4t 时,辅助管S 3零电流导通,2r L 通过S 1、S 3与2C 发生谐振。在这一时间段有2max2242sin (C Lr r U i t t Z = (5 22max 24cos (c C u U t t = (6谐振电流2Lr i 迫使主开关管1S 的漏源电流12S i Lr i I i =以正弦规律减小,当2Lr i 谐振到等于输入电流i I 时,主开关管S 1中的电流下降为零。之后,2Lr i 继续谐振上升,S 1所在支路电流变负,S 1的反并二极管导通,经过1/4谐振周期后,22max 2/Lr C r i U Z =达到最大值,然后谐振下降。当2Lr

14、i 谐振下降到再次等于i I 时,S 1的反并二极管D 1电流下降为零。在S 1的反并二极管D 1导通期间,关断主开关管S 1可实现零电压零电流关断。此段时间间隔4522/2r t L C =。(6模式6(5t 6t :主开关管S 1关断后,2r L 与2C 、1C 继续发生谐振,电容1C 电压1C u 由零开始逐渐增加,2C 电压也继续增加。当10C u U =时,整流二极管D 导通。(7模式7(6t 7t :整流二极管D 导通后,2r L 与2C 继续谐振,在这一时间段有2202262(cos(CM Lr LM r U U i I t t Z =+ (7 2222002(C CM LM r

15、 u U U U I Z =+26sin(t t + (8式中:102tan (/CM r LM U U Z I =;26(LM Lr I i t =;26(CM c V u t =。当谐振电流2Lr i 下降到零时,谐振电压2C u 达到108 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷最大值2222max 002(C CM LM r U U U U I Z =+,这个时间段结束,6722(/2r t L C =。(8模式8 7t 80(t t :7t 时,2r L 与2C 的谐振停止,2C u 电压保持在最大值2max C U ,20Lr i =,流过辅助管S 3的漏源电流为零,此后到辅助管

16、S 2开通前任何时刻均可使辅助管S 3零电流关断。7t 以后整流二极管D 已完全导通,电路又回到传统的PWM 工作状态。8t 时辅助管S 2导通,电路又重复上一个周期的工作。2 参数设计2.1 软开关分析由以上分析可知,要实现主开关管ZVS ,关键在于模式1和模式2。模式1实现了输出整流二极管D 的零电流软关断,而D 的关断又为1r L 和1C 的谐振创造了条件。在模式2,要实现S 1零电压接通必须保证1C u 在主开关管S 1开通前从U 0谐振到零,需满足以下条件:r i r onL C I LT t t U +=+ (9式中2on T 为辅助管S 2脉冲宽度。同时,为了使辅助管S 2实现零

17、电流关断还必须满足下列条件:r i r on L C I LT t t t U +=+ (102222r on L C T (11显然,要使主开关管S 1实现零电压接通,辅助管S 2也实现零电流关断,必须同时满足式(10和式(11。在辅助管S 2导通期间,有两条支路电流流过辅助管S 2,一条来自电感1r L 电流,另一条来自电感2r L 电流。在此期间,2r L 、2C 谐振支路2C u 由2max c V 变为2max c V ,2Lr i 从0谐振到最大值再回到0,之后保持谐振值直至辅助管S 3开通,为主开关管S 1零电流关断创造条件。实现主开关管ZCS 的关键在于模式5,利用2r L 、

18、2C 谐振回路的分流作用使主开关管的电流发生转移,12S i Lr i I i =,谐振支路电流2Lr i 逐渐增加,主开关管电流1S i 逐渐减小,直至10S i =时实现零电流关断。在此阶段2r L 、2C 谐振得以发生的前提是必须给电容2C 赋予一定的初始电压,且主开关管实现零电流关断必须满足以下条件:2max2max 2C Lr i r U i I Z = (12 要使辅助管S 3也实现零电流关断还必须满足3455667on T t t t + (13 式中3on T 为辅助管S 3脉冲宽度。2.2 谐振网络参数的设计(1设置电流系数i K 。1Lr m i i IK I = (14式

19、中:1Lr m I 为流过电感1r L 电流的最大值;i K 1。(2谐振电感1r L 和电容1C 。如上所述,主开关管S 1零电压开通,关断时靠电容1C 的缓冲实现零电压,较大的1C 有利于减小关断损耗,但1C 越大,1C 存储的能量210/2C U 越多,在谐振周期一定情况下1C 能量经谐振转移到1r L 上使电流峰值增大,辅助管S 2电流应力和主开关管关断损耗增加。这部分谐振能量究竟取多大,必须结合开关损耗和开关应力加以考虑。根据以上分析可得出01011221011202(1(1/2(1(1(1/22r i ii i i U L t t K I K I C t t K U =+=+(15

20、 其中i I 取输入电感f L 电流的最大值(P 0/U i min ,1C 包括谐振电容、主开关管寄生电容和整流二极管的结电容。本设计中取01120.05t t T +=,T 为开关周期。(3谐振电感2r L 和电容2C 。主开关管关断时靠2r L 、2C 谐振回路的分流使主开关管的电流发生转移。为实现零电流关断,必须使该谐振支路电流最大值2max L i =2max 2/C r i U Z I ,但是太大的谐振电流又使谐振电感和辅助管的负担加重。通常在满足软开关条件下应尽量减少2max C U ,谐振电感2r L 、2C 按下式计算204524502/2/r v ii v L K U t

21、I C I t K U = (16 式中2max 0/v C K U U =为电压系数,本设计取45t =0.03T 。3 仿真与实验结果基于上述电路拓扑和分析,利用Pspice 软件进行了仿真,并进行了100kHz 、400W 原理样机实验。第22期 林国庆: 一种新型的零电压零电流转移DC-DC 变换器 109所选择谐振元件参数为:L r 1=15H ,C 1=680pF ,L r 2=5H ,C 2=4.70nF 。仿真和实验结果如图3和图4。可以看出,主开关管S 1为零电流、零电压通断,电压、电流为梯形波,相互错开,即实现了4个零、4个斜坡,辅助开关管S 2、S 3也实现了零电流通断。

22、实验结果与理论分析和仿真结果相一致。0 10u g 1/V 0 0 10400 u DS /VI s 1/A 0 10 u g 2/V 0 20 I s 2/A 0 10 u g 3/V 0 10I s 3/A (a 主开关管电压电流波形 (b 辅开关管电压电流波形图3 电路仿真波形Fig. 3 The simulation waveform of the proposed circuit0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 0 4 8 12 t /s 200 u DS /V 0 4 I s 1/A 0 4 I s 2/A 8 0 4 I s 3/

23、A 图4 开关管电压、电流波形Fig. 4 Voltage and current waveform of the switches4 结论本文构造出一种新型零电压零电流转移的软开关DC-DC 变换器电路拓扑,它通过采用两条辅助谐振支路实现了全部主、辅开关的软开关。 由于主开关管实现了4个零,消除了电压和电流的交叠现象、降低了开关损耗;4个斜坡,减小了d v /d t 、d i /d t ,开关应力减小,同时也解决了硬开关PWM 变换器引起的EMI 问题、二极管的反向恢复问题。在较宽的负载范围内,零电压、零电流开关条件均可以得到保证。该新型软开关DC-DC 变换器由于主开关管和辅助管都实现了零

24、电流通断,主开关管和辅助管均可用IGBT 作为开关器件用于高电压、大功率应用场合。参考文献1 Zhu J Y ,Dao H D .Zero-voltage-and zero-current-switched PWMDC-DC converters using active snubberJ.IEEE Transactions on Industry Applications ,1999,35(6:1406-1412.2 Smith K M .Lossless passive soft-switching methods for inverters andamplifiresJ.IEEE Tra

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