新型ZVZCT軟開關(guān)PWM變換器的研究

摘要:提出一種新型的ZVZCT軟開關(guān)PWM變換器,主開關(guān)管電壓電流為互相錯(cuò)開的梯形波(4個(gè)零、4個(gè)斜坡)，輔助管為零電流通斷，特別適用于以IGBT為開關(guān)器件的高壓大功率場(chǎng)合。通過理論分析、參數(shù)選擇、電路仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該變換器加以說明。

關(guān)鍵詞：ZVZCT軟開關(guān)變換器

A Study of Novel ZVZCT Soft－ Switching PWM Converters

Abstract:The paper presents a novel ZVZCT soft－ switching PWM converter:the voltage and current waveforms of the transistor are ladder－ shaped and stagger each other, and auxiliary switches are turned on and off under zero－ curent.It is very attractive for high power application where IGBT is predominantly used as the power switches. Theoretical analysis,parameters selection,computer simulation and experiment results are presented to explain the proposed scheme. Keywords: ZVZCT Soft－ switching Converters

1引言

　　在高壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)損耗高。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通常選用較大容量的開關(guān)器件輔以吸收電路，但開關(guān)頻率難以提高。為解決這些問題，近年來提出了許多軟開關(guān)技術(shù)，這些軟開關(guān)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的小型化、輕量化和低成本中起著重要的作用。在大功率場(chǎng)合比較成功的軟開關(guān)技術(shù)能減小開關(guān)損耗、降低開關(guān)應(yīng)力和EMI，提高工作可靠性。在利用輔助電路構(gòu)成的軟開關(guān)變換器中，盡管輔助管的開關(guān)損耗相對(duì)主電路較小，但若輔助管也采用IGBT以適應(yīng)高電壓、大功率的輸出要求，則輔助管軟換流通斷也極為重要了，而且從可靠性和降低EMI角度考慮，輔助管也應(yīng)該采用軟開關(guān)技術(shù)。文[1]（ZVT）接通損耗減小了，開關(guān)應(yīng)力也小了，但主管和輔助管都是硬關(guān)斷，在大功率場(chǎng)合占開關(guān)損耗主要部分的關(guān)斷損耗并沒有明顯減小。文[2]（ZCT）主管雖為零電流關(guān)斷，但輔助管是硬關(guān)斷，也不適合于大功率場(chǎng)合。本文提出了一種新型的ZVZCT軟開關(guān)PWM變換器——主開關(guān)管電壓電流為梯形波，相互錯(cuò)開，即有2個(gè)平頂、2個(gè)平底和4個(gè)零、4個(gè)斜坡，輔助管為零電流通斷，適用于高電壓、大功率場(chǎng)合。

2工作原理與理論分析

　　圖1為新型軟開關(guān)拓?fù)洌瑘D2為其工作波形，圖1中電感L1、L2構(gòu)成一個(gè)耦合電感，在分析過程中用一個(gè)電流源和一個(gè)電壓源等效，其漏感Lk可視為諧振電感LR1的一部分。為簡化分析，假設(shè)濾波電感LF足夠大，輸入可看作一個(gè)恒流源，濾波電容足夠大，輸出可看作一個(gè)恒壓源。圖3所示，一個(gè)開關(guān)周期由八個(gè)工作狀態(tài)組成：

　?。?）T0－T1：T0之前，主開關(guān)S1和輔助開關(guān)S2、S3均關(guān)斷，整流二極管D導(dǎo)通。在T0時(shí)，輔助管S3導(dǎo)通（零電流），諧振電感LR1線性充電性Ii/2(Ii為濾波電感電流)，整流二極管零電流關(guān)斷，線性充電時(shí)間

　　（2）T1－T2：T1時(shí)iD=0，整流二極管D關(guān)斷，LR1通過S3與C1發(fā)生諧振，同時(shí)耦合電感副邊L1的電流通過D2流到負(fù)載，輔助開關(guān)承受較小的電流。

圖1新型ZVZCT軟開關(guān)電路拓樸

圖2新型軟開關(guān)PWM變換器的工作波形
S1—主管S1脈沖S3—輔助管S3脈沖
S2—輔助管S2脈沖VDS—主管漏源電壓
IS—主管漏極電流iLR1—電感LR1電流
iRL2—電感LR2電流VD—主二極管電壓
ID—主二極管電流IS2—輔助管S2漏極電流
IS3—輔助管S3漏極電流

C1放電直到T2時(shí)VC1=0，此時(shí)ωT12=π,，

T2=T1＋T12。（3）T2－T3：T2時(shí)，VC1=0，反并二極管導(dǎo)通，此時(shí)給主開關(guān)管S1加上觸發(fā)脈沖，S1零電壓零電流接通，，諧振電感中能量反饋到負(fù)載，諧振電感電流iLR1線性放電。當(dāng)時(shí)，iLR=0，此時(shí)關(guān)斷輔助開關(guān)管S3可使輔助管零電流關(guān)斷，T3=T2＋T23。

　　在S3導(dǎo)通期間，除了上述幾個(gè)過程外，還有以下兩種狀態(tài)：

　?、賂0－T30期間LR2通過D5、S3與C2、C3發(fā)生諧振。

　　②T30－T3期間LR2通過D5、S3、D7與C2發(fā)生諧振。

　?。?）T3－T4：T3以后，iLR1=0，iLR2=0，流過S3的漏源電流為零，因此以后關(guān)斷S3均可使S3實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，而且在T3時(shí)主開關(guān)管S1的漏源電流達(dá)到濾波電感LF的電流Ii，電路恢復(fù)到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。

　?。?）T4－T5：T4之前，主開關(guān)S1導(dǎo)通，C2電壓已充電到－Vc2max。取C2=C3=C，則。諧振電流iLR2迫使開關(guān)管S1的漏源電流iDS=Ii－iLR2以正弦規(guī)律減小，當(dāng)ωt=π/2時(shí)，達(dá)到最大值，從該式可以看出，為了獲得零電流關(guān)斷，,當(dāng)主開關(guān)管電流降為零時(shí)，它的反并二極管導(dǎo)通，此時(shí)關(guān)斷主管可實(shí)現(xiàn)零電流零電壓關(guān)斷。此段時(shí)間間隔：,T5=T4＋T45

　?。?）T5－T6：主開關(guān)管S1關(guān)斷后，電感電流Ii對(duì)C2、C3繼續(xù)充電，當(dāng)VC3=V0時(shí)，D6導(dǎo)通，LR2、C2通過D6、D繼續(xù)諧振，直到iLR2=0時(shí)D1截止，停止諧振。

圖3八個(gè)不同工作狀態(tài)的等效電路