一种新型的ZVS关断电路的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:软开关技术是开关电源中的一个重要研究领域。根据磁性元件的电压极性在不同开关状态下也不同的特点,提出了一种新型的ZVS关断电路。这种关断电路所附加的元件很少,但可以实现优良的软关断效果。以CCM Buck电路为例,对该ZVS关断电路进行了详细的理论分析。最后的实验结果证实了理论分析,表明这种电路的正确性和可行性。 关键词:软开关;吸收电路;零电压开关 引言 软开关(ZVSZCS)技术可以显著地减小开关损耗,是开关电源的一个重要研究领域。迄今为止,实现软开关的方案很多,归纳起来可以有以下几种不同形式: 1)直接利用谐振实现的谐振软开关,它可以实现良好的软开关效果,但却需要采用变频控制策略,使磁性元件的设计难以优化; 2)利用辅助开关实现的有源软开关技术,可以实现PWM控制策略,并达到很好的软开关效果,但它需要辅助开关管及其控制驱动电路,不利于增加开关电源的功率密度,可靠性也有所降低; 3)采用无损吸收电路实现软开关技术,仅需要附加少量无损元器件(电容、电感和二极管),就可以实现软开关[1][2][3][4][5][6][7],且可以采用PWM控制,便于设计磁性元件。 本文提出了一种新型的无源无损ZVS软开关电路,它利用主电感电压极性跟随开关状态改变的特点,来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电。该电路具有使用元器件少,无需额外的辅助开关,且软开关效果好,控制方便等许多优点,研究结果证明该电路是可行的。 1 新型的磁耦合式ZVS关断电路 如图1所示,新型的ZVS关断电路所包含的元器件很少:小电容Cs和二极管Ds,用于实现主开关的ZVS关断;小电感LR、二极管DR和主电感的耦合电感Lmc,给Cs创造充电的准谐振条件。将图1中的A~E各个端点连接到电路的恰当位置,就可以为具体电路构造ZVS关断条件。 图2所示为一个带新型磁耦合式ZVS关断电路的Buck拓扑,虚线所包围部分为附加上去的ZVS关断电路。 图1、2 这种新型的关断电路可推广到所有带单开关的基本拓扑中,如图3所示。 图3 带新型ZVS关断电路的基本拓扑 由于Cuk、Sepic和Zeta拓扑都含有两个主电感,这两个主电感的电压极性都随着开关状态发生改变,故它们都可以用于构造新型的ZVS关断电路。 2 带新型ZVS关断电路的CCM Buck拓扑的工作原理 以CCM Buck电路为例,说明新型ZVS关断电路的工作原理。为方便电路分析,做如下假设: 1)输入电压Vin为恒定值; 2)输出电容Co足够大,输出电压Vo恒定; 3)所有元器件都是理想的,忽略其寄生参数; 4)耦合电感可视为励磁电感Lm和一个理想变压器组成,励磁电流Im为大于零的恒定值。 电路共有5个工作模态,如图4所示,其工作波形如图5所示。通路用粗线表示。 图4 电路各个工作模态图 图5 各个工作模态的主要波形图 模态1〔t0-t1〕 t0时刻,电容Cs放电完毕,Do实现ZVS开通,电路进入Lm放电状态,其电流为Im。 模态2〔t1-t2〕 t1时刻,S开通。输入电流iin马上跃升到Im,输出二极管Do立即关断(S和Do这时都不是软开关,这不是本文研究的内容)。S开通后,V1的极性变为正,其感应电压V2也跟着变为正;Cs和LR在V2作用下发生串联谐振。设耦合电感的变比为N2/N1,则有: 此时,iin(t)包含有两个电流分量,即 iin(t)=Im+iLRc(t) (4) 式中:iLRc(t)=(N1/N2)iLR(t) 模态3〔t2-t3〕 t2时刻,vCs(t)到达最大值Vin,并维持不变。iLR(t)在电压(Vin-V2)的作用下线性下降,即 模态4〔t3-t4〕 iLR(t)在t3时刻下降到零,并维持不变,电路进入LM充电阶段。 模态5〔t4-t5〕 t4时刻S关断,Cs放电,vCs(t)线性下降,实现主开关的ZVS关断。故S上的电压为 在t5(对应于前面的t0)时刻Cs放电完毕,开始下一个工作周期。 3 新型关断电路ZVS的实现条件 根据模态3,电路能够实现ZVS的条件是在t2时刻,vCs(t)的最大值必须大于Vin。而vCs(t)的最大值取决于N2/N1和输入输出电压之差,根据式(1)和式(3),并设m=Vo/Vin,则有 其曲线如图6所示,位于曲线下方的区域满足ZVS条件。 由模态5可以看出,S在关断时候的电压上升速率由Cs和Im决定,见式(6)。对于确定的Cs,当Im越大时(即负载电流越大的时候),其斜率也大,后面给出的试验波形图也可以说明这一点。 4 实验结果 根据上述的理论分析,设计了一个CCM Buck变换器。其主要参数如下:Vin=40V;Vo=13V,LR=10mH,Cs=44nF,N2/N1=1,Lm=74mH;Ds和DR采用超快速恢复二极管,Do为肖特基二极管。开关频率为50kHz。 试验研究了电路在不同负载电流条件下,主电路开关过程的试验电压和电流波形分别如图7~图9所示。由图可以看出,开关管实现了ZVS,且开关管的电压应力等于输入电压;开通过程也近似于ZCS开通,额外的谐振电流分量相对于主电流来说不大,不会对电路的工作造成不良影响。 图7和图8 5 结语 本文提出的新型ZVS关断吸收电路,巧妙地利用了不同开关状态下主电感电压极性的不同,来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电,从而实现了软开关。从理论分析和实验结果可知,这种无源无损吸收电路可以实现开关管ZVS关断,开通也接近ZCS效果。且开关管所承受的最大电压应力等于输入电压。 这种ZVS关断吸收电路所需要的外加元器件数量很少,而且可以很容易地推广到其它各种基本拓扑结构中。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/11597.html
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