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1、AdvancedPowerElectronics 高等电力电子技术 第7章软开关变换器 7 1概述7 2零转换PWM变换器7 3移相控制ZVS PWM全桥变换器7 4移相控制ZVZCS PWM全桥变换器 7 1概述 主要内容7 1 1功率器件的开关过程7 1 2软开关的分类及特征 MOSFET IGBT等新型全控型 高速电力电子器件的出现 使得开关式稳压电源的高频化成为可能 随着开关频率的提高 一方面开关管的开关损耗成正比地上升 使电路的效率大大的降低 从而使变换器处理功率的能力大幅地下降 另一方面 系统会对外产生严重的电磁干扰 EMI 软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率 功率
2、密度和可靠性同时得到提高 并有效的减小电能变换装置引起的电磁污染和噪声等 7 1概述 7 1 1功率器件的开关过程 功率变换电路中 每只开关管在每个开关周期都要开通与关断一次 a 开通过程 b 关断过程 开关管开关过程中产生的开通损耗和关断损耗统称为开关损耗 开关损耗可由下式算出 最终得 7 1 1功率器件的开关过程 7 1 2软开关的分类及特征 软开关电路中典型的开关过程如下图所示 a 开通过程 b 关断过程 使开关开通前其两端电压为零 则开关开通时就不会产生损耗和噪声 这种开通方式称为零电压开通 简称零电压开关 使开关关断前流过其电流为零 则开关关断时也不会产生损耗和噪声 这种关断方式称为
3、零电流关断 简称零电流开关 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断 可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成全谐振型变换器或谐振型变换器 准谐振变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器和移相全桥PWM软开关变换器 7 1 2软开关的分类及特征 谐振变换器实际上是负载谐振型变换器 LC振荡电路与负载串联或并联 将LC振荡电路的振荡电压或振荡电流加在负载上 使得电力电子器件可在零电压或零电流下开关 因而又称作负载谐振软开关变换器 1 谐振变换器 2 准谐振变换器 准谐振变换器的出现
4、是软开关技术的一次飞跃 这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段 不是全程参与 a 零电压准谐振基本开关单元b 零电流准谐振基本开关单元c 零电压多谐振基本开关单元 3 零开关PWM变换器 这类电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻 使谐振仅发生于开关过程前后 a 零电压开关PWM电路的基本开关单元 b 零电流开关PWM电路的基本开关单元 4 零转换PWM变换器 这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻 所不同的是 谐振电路是与主开关管并联的 a 零电压转换PWM变换器的基本开关单元 b 零电流转换PWM变换器的基本开关单元 5 移相控制软开关PWM全桥变换器 移相控制零电压
5、PWM全桥变换器是最早出现的一种应用于中大功率场合的软开关变换器 通过利用开关器件的寄生参数实现其自身的零电压开关 以其无需附加元器件和具有低电压 低电流应力等特点 广泛用于高频大功率电路中 7 2零转换PWM变换器 主要内容7 2 1基本的零电压转换PWM变换器7 2 2改进的零电压转换PWM变换器7 2 3基本的零电流转换PWM变换器7 2 4改进的零电流转换PWM变换器 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 零电流转换 ZCT PWM变换器 它利用谐振网络并联在开关上 使得电路中的有源开关和无源开关二者都实现零电流开关 而且不增加器件的电压 电流应力 以Boost型零电流转换PWM变换
6、器为例来分析零电流转换PWM变换器的工作原理 为了简化分析 假设 输入滤波电感L足够大 输入电流看成是理想的直流电流源Ii 输出滤波电容足够大 输出电压看成是理想的直流电压源Uo 谐振电路是理想的 Lr L 忽略半导体器件的管压降及二极管的反向恢复时间 a 电路拓扑 b 工作波形 图7 10BoostZCT PWM变换器电路拓扑与工作波形 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 1 t0 t1阶段 工作模态1 等效电路如图7 7 a 所示 t0以前 主开关VTS和辅助开关VTS1断态 二极管VD导通 t0时刻 VTS1导通 电感Lr中电流线性上升 VD中的电流线性减小 t1时刻iLr达到Ii
7、VD中的电流下降到零 VD在软开关下关断 进入下一阶段 a 工作模态1 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 2 t1 t2阶段 工作模态2 等效电路如图7 7 b 所示 t1时刻 iLr达到Ii VD中的电流下降到零 VD关断 Lr Cr开始谐振 Cr中的能量开始向Lr转移 iLr继续增大 uCr开始下降 t2时刻 iLr达到峰值 uCr下降到零 进入下一阶段 a 工作模态1 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 3 t2 t3阶段 工作模态3 等效电路如图7 7 c 所示 t2时刻 iLr达到峰值 uCr下降到零 随后VDS导通给iLr续流并维持峰值 uCr维持零 直到t3时刻VTS1
8、关断 进入下一阶段 c 工作模态3 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 4 t3 t4阶段 工作模态4 等效电路如图7 7 d 所示 t3时刻 VTS1关断 VD1导通 iLr和VDS中的电流开始下降 t4时刻 VDS中的电流下降到零 进入下一阶段 在t2 t4时间段内 VTS的反并联二极管VDS在导通 这时开通VTS VTS零电压导通 d 工作模态4 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 5 t4 t5阶段 工作模态5 等效电路如图7 7 e 所示 t4时刻 VDS中的电流下降到零 VTS开始导通 iVTs增大 iLr减小 t5时刻 iVTs等于Ii iLr下降到零 进入下一阶段 e
9、工作模态5 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 6 t5 t6阶段 工作模态6 等效电路如图7 7 f 所示 t5时刻 iLr下降到零 iVTs上升到Ii VTS为输入电流提供续流回路 该状态维持到t6时刻 VTS关断 进入下一阶段 7 t6 t7阶段 工作模态7 等效电路如图7 7 g 所示 t6时刻 VTS在谐振电容的作用下软关断 随后谐振电容两端电压uCr即VTS两端电压线性上升 t7时刻 uCr上升至Uo 随后VD导通 进入下一阶段 f 工作模态6 g 工作模态7 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 8 t7 t8阶段 工作模态8 等效电路如图7 7 h 所示 t7时刻 VD导
10、通 uCr电压被箝在Uo 直到t8时刻 VTS1导通 进入下一个工作周期 h 工作模态8 7 2 1基本的零电压转换PWM变换器 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 基本的BoostZVTPWM变换器的主开关管是零电压开通 提高了变换器的效率 但辅助开关管仍为硬开关 因此 人们又提出多种改进的BoostZVT PWM变换器拓扑 图7 8a给出其中一种简单的拓扑 图7 8a所示的电路与基本的BoostZVTPWM变换器相比 只是在辅助谐振电路中增加了一个电容 和两个二极管 和 但可实现主开关管与辅助开关管的软开关 其工作波形如图7 8b所示 为了简化分析 做出类似基本零电压转换PWM变换器的
11、假设 图7 8改进的BoostZVT PWM变换器及其工作波形a 电路拓扑b 工作波形 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 电路一个工作周期共有9个工作阶段 对应9种工作模态 各工作模态分析如下 a 工作模态1 1 阶段 工作模态1 等效电路如图7 9a所示 时刻 辅助开关管受控开通 流过Boost二极管VD的电流开始向辅助开关管 谐振电感转移 该阶段谐振电感中的电流上升斜率为 直至时刻 电路进入下一工作阶段 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 b 工作模态2 2 阶段 工作模态2 等效电路如图7 9b所示 时刻 Boost二极管VD电流过零关断 谐振电容 包括的集射结电容 和谐振电感
12、谐振 继续上升 下降 该阶段按的规律变化 时刻 上升到最大值 下降到零 电路进入下一工作阶段 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 c 工作模态3 3 阶段 工作模态3 等效电路如图7 9c所示 时刻 下降到零 导通 主开关管的端电压被钳位于 0 7V 该阶段维持不变 在该阶段开通 零电压开通 时刻 关断 电路进入下一工作阶段 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 d 工作模态4 4 阶段 工作模态4 等效电路如图7 9d所示 时刻 辅助开关管受控关断 由于向吸收电容及辅助管结电容谐振充电 辅助开关管关断时电压上升的速度变慢 实现了关断缓冲 该阶段时刻 中的电流下降到零 开始流过电流 电路
13、进入下一工作阶段 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 e 工作模态5f 工作模态6 5 阶段 工作模态5 等效电路如图7 9e所示 时刻 开始流过电流 Lr与CB CDS1继续谐振 t5时刻 谐振到等于Uo VD2导通 电路进入下一工作阶段 6 阶段 工作模态6 等效电路如图7 9f所示 t5时刻 VD2导通 被钳位于Uo Lr通过VD1 VD2和VD3向负载释放能量 t6时刻iLr 0 电路进入下一阶段 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 g 工作模态7 7 t0 t7阶段 工作模态7 t6时刻 iLr下降为零 VD1 VD2 VD3电流过零关断 输入电源通过导通的主开关管VTS继续
14、给L1充电 该阶段等效电路如图7 9g所示 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 h 工作模态8i 工作模态9 8 t7 t8阶段 工作模态8 等效电路如图7 9h所示 t7时刻 主开关管VTS受控关断 iL1向Cr充电 uCr上升 由于uCB uCr Uo uCr上升使下降 即L1向CB反向充电 VD2导通 t8时刻 uCr Uo uCB 0 VD导通 电路进入下一工作阶段 该阶段内辅助开关管VTS1的缓冲电容CB电压无损回零 实现了无损吸收 另外 CB对主管VTS的关断也起到了缓冲作用 9 t8 t9阶段 工作模态9 等效电路如图7 9 所示 t8时刻 Boost二极管VD开通 并保持u
15、Cr Uo uCB 0 7 2 2改进的零电压转换PWM变换器 7 2 3基本的零电流转换PWM变换器 零电流转换 ZCT PWM变换器 它利用谐振网络并联在开关上 使得电路中的有源开关和无源开关二者都实现零电流开关 而且不增加器件的电压 电流应力 理论上说 只要在基本的DC DC变换器的开关上并联可控的串联谐振环节就能得到相应的零电流转换PWM变换器 以Boost型零电流转换PWM变换器为例来分析零电流转换PWM变换器的工作原理 Boost型零电流转换PWM变换器的电路拓扑如图7 10a所示 主要工作波形如图7 10b所示 为了简化分析 做出类似基本零电压转换PWM变换器的假设 图7 10B
16、oostZCT PWM变换器电路拓扑与工作波形a 电路拓扑b 工作波形 7 2 3基本的零电流转换PWM变换器 a 工作模态1 1 t0 t1阶段 工作模态1 等效电路如图7 11a t0以前 主开关VTS通态 辅助开关VTS1断态 二极管VD断态 uCr Uo t0时刻 VTS1导通 Cr Lr谐振 iLr上升 uCr反向减小 同时iVTs减小 t1时刻 iVTs减小到零 进入下一工作阶段 电路稳态时 一个开关周期内有7个不同的工作阶段 对应7种工作模态 分析如下 7 2 3基本的零电流转换PWM变换器 b 工作模态2 2 t1 t3阶段 工作模态2 等效电路如图7 11b t1时刻 iVTs减小到零 随后VTS的反并联二极管导通 t2时刻 iLr达到最大值 uCr反向下降到零 接着iLr减小 uCr正向增大 流过VTS的反并联二极管中的电流减小 t3时刻 VDS中的电流下降到零 iLr下降到Ii 随后VD开始导通 进入下一工作阶段 若VTS在t1 t3期间关断 VTS为零电流关断 7 2 3基本的零电流转换PWM变换器 c 工作模态3d 工作模态4 3 t3 t4阶段 工作模态3
