一種新型ZCS-PWM Buck變換器研究

發(fā)布時間：2010-10-24 11:15 發(fā)布者：analog_tech

關(guān)鍵詞： Buck , PWM , ZCS , 變換器

1 引言

與功率場效應(yīng)管(MOSFET)相比，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有更高的耐壓值、更大的能量密度和較低的開通損耗，因此己廣泛用于高壓、大功率場合。然而，IGBT的開關(guān)速度較慢，而且關(guān)斷時還存在電流拖尾現(xiàn)象，因而會導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗。解決這兩個問題的有效措施是實現(xiàn)IGBT的零電流開關(guān)(ZCS)。為此，近幾年已陸續(xù)提出了多種ZCS脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulated，簡稱PWM)技術(shù)方案。例如，文獻雖能實現(xiàn)所有有源開關(guān)器件的ZCS，但主開關(guān)管的電流應(yīng)力很大，它將顯著增加導(dǎo)通損耗。這一問題在文獻中得到解決，但輔助開關(guān)管的電流應(yīng)力也很大。而且由于兩個諧振電感分別與主開關(guān)管、輔助開關(guān)管串聯(lián)，所以損耗較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了有效解決這一問題，文獻提出并研究了基于一種新型ZCS PWM開關(guān)單元的Boost變換器。在此基礎(chǔ)上研究了基于該新型ZCS PWM開關(guān)單元的Buck變換器。它在傳統(tǒng)Buck電路的基礎(chǔ)上增加了一條諧振支路和一條由輔助開關(guān)管與二極管串聯(lián)而成的輔助支路。在整個負載范圍內(nèi)。該新型ZCS PWM Buck變換器的主開關(guān)管和輔助開關(guān)管均工作在ZCS狀態(tài)，所有無源開關(guān)器件均工作在ZVS狀態(tài)，因此開關(guān)損耗為零。此外，該變換器的諧振電感不再與主開關(guān)管和輔助開關(guān)管串聯(lián)，使得損耗明顯減小，因此適用于所有使用IGBT的大功率場合。在此。分析了該變換器的工作原理，并通過一臺300W，30kHz樣機驗證了該電路的可行性。

2 工作原理

2．1 主電路拓撲

圖1示出新型ZCS PWM Buck變換器。它由主開關(guān)管VS1、輔助開關(guān)管VS2、3個二極管VD1～VD3、兩個諧振電感Lr1,Lr2及一個諧振電容Cr組成。VS1起到將能量傳輸?shù)截撦d的作用；通過VS2傳輸?shù)哪芰空伎傌撦d能量的比例很小，流過它的電流平均值也很小。

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2．2 工作模態(tài)的分析

為便于分析新型ZCS PWM Buck變換器的工作原理，首先假設(shè)：①變換器工作已達到穩(wěn)態(tài)；②所有功率電子器件均為理想器件；③電感、電容均為理想儲能元件；④輸入電壓Uin恒定；⑤輸出濾波電感Lo足夠大，使得流過L。的電流iLo可視為恒流Io。這樣，Lo，Co及負載電阻RL也可看成是一個電流值為Io的恒流源；⑥諧振電感遠小于Lo，即Lr1＜o和Lr2＜o。基于此。該變換器在一個周期中的工作，可分為7個模態(tài)。圖2示出每個工作模態(tài)所對應(yīng)的等效電路。

(1)模態(tài)1[t0～t1]該模態(tài)的等效電路見圖2a。在t0時刻前，VS1和VS2都處于關(guān)斷狀態(tài)，Lo上的電流Io通過VD2，Lr2，VD1和Lr1續(xù)流。此時，流過諧振電感的電流為恒流，所以其端電壓均為零，Cr上的端電壓uCr也為零。VS1和VS2承受的電壓均為Uin。

在t0時刻，VS1開通，加在Lr1，Lr2上的電壓為Uin，其電流從Io開始線性下降，而流過VS1的電流iVS1，開始從零線性上升，所以VS1為零電流開通。

(2)模態(tài)2[t1～t2]該模態(tài)的等效電路見圖2b。在該階段，VS1繼續(xù)維持導(dǎo)通，此時：

模態(tài)2的持續(xù)時間為△t2=t2-t1=DTs-Δt1(D為占空比，Ts為開關(guān)周期)。

(3)模態(tài)3[t2-t3] 該模態(tài)的等效電路見圖2c。在t2時刻，VS2開通，此時uVD1(t)=0，Lr1和Cr將通過Uin和VS2發(fā)生串聯(lián)諧振，流經(jīng)VS2的電流iVS2將由零逐漸上升，所以VS2為零電流開通。

(4)模態(tài)4[t3～t4]該模態(tài)的等效電路見圖2d。由于VS2已經(jīng)關(guān)斷，故Lr1，Lr2和Cr將通過VD1，VD2，VS1和Uin發(fā)生串聯(lián)諧振。

(5)模態(tài)5[t4-t5] 該模態(tài)的等效電路見圖2e。Lr1，Lr2和Cr將通過VS1的反并二極管繼續(xù)諧振。

(6)模態(tài)6[t5-t6]該模態(tài)的等效電路見圖2f。此時，Lr1，Lr2和Cr只與電流源串聯(lián)，導(dǎo)致Cr線性放電，諧振結(jié)束。

iLr1(t)=iLr2(t)=Io (11)

(7)模態(tài)7[t6～t7]該模態(tài)的等效電路見圖2g。在該模態(tài)中，Io經(jīng)過VD1，VD2續(xù)流。在t7時刻，零電流開通VS1，開始下一個周期。

由上述分析可得變換器在一個周期的工作波形，圖3示出新型ZCS PWM Buck變換器在一個周期內(nèi)的主要波形。由圖3可見，要確保其在不過載的情況下也能實現(xiàn)ZCS軟開關(guān)，唯一的條件是

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3 仿真及實驗結(jié)果

通過Saber仿真軟件對新型ZCS PWM Buck變換器進行了仿真分析。參數(shù)設(shè)置：輸入電壓Uin=100V。額定輸出電壓Uo=60V，額定輸出功率Po=300W，開關(guān)頻率fs=30kHz，Lr1=Lr2=6μH，Cr=100nF，Lo=1mH，濾波電容Co=470μH,為了驗證仿真結(jié)果，設(shè)計了一臺實驗樣機，該樣機的VS1和VS2選用G25N120；VD1—VD3選用HFA25TB60。

圖4示出滿載時和10％負載時VS1和VS2上的電流iVS1和ivsz及電壓uvs1和uVS2實驗波形。由圖可見，VS1和VS2都實現(xiàn)了軟開關(guān)。由于該樣機是以額定電流的10％作為臨界連續(xù)電流而設(shè)計的。當負載小于額定負載的10％時，系統(tǒng)就進入了電流斷續(xù)狀態(tài)，功率器件也實現(xiàn)了ZCS。因此，該變換器能在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZCS。

4 結(jié)論

研究了一種新型ZCS PWM Buck變換器，分析了該變換器的工作原理。它具有下述優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單，所用器件數(shù)量少；②所有的有源開關(guān)器件都是ZCS，所有的無源開關(guān)器件都是ZVS。所以沒有開關(guān)損耗：③變換器能在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)。

該新型ZCS PWM Buck變換器適用于功率器件采用IGBT的高壓、大功率應(yīng)用場合。樣機實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

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