無(wú)源無(wú)損緩沖電路及其新拓撲

摘要：在分析無(wú)源無(wú)損緩沖電路的拓撲分類(lèi)和硬開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗的基礎上，總結了無(wú)源無(wú)損緩沖電路的結構原理和一般實(shí)現方法。重點(diǎn)介紹了其在DC/DC變換器中兩種新穎的拓撲結構，并簡(jiǎn)要地分析了它們的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)源無(wú)損緩沖電路；DC/DC變換器；功率因數校正

1 概述

在硬開(kāi)關(guān)電路中，有源開(kāi)關(guān)器件連接在剛性的電壓源或電流源上，開(kāi)關(guān)損耗大、電磁干擾嚴重、可靠性低，且隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，這種現象更為嚴重。為了克服這些缺陷，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)被廣泛采用。

有源緩沖電路、RCD緩沖電路、諧振變換器、無(wú)源無(wú)損緩沖電路是常用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。其中，有源緩沖電路通過(guò)增添輔助開(kāi)關(guān)以減少開(kāi)關(guān)損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復雜程度，從而增大了性?xún)r(jià)比，也降低了可靠性；RCD緩沖電路雖然結構最簡(jiǎn)單，價(jià)格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中性能最差；而諧振變換器雖然實(shí)現了ZVS或ZCS，減少了開(kāi)關(guān)損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創(chuàng )造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環(huán)電流較大，還必須在特定的軟開(kāi)關(guān)控制器的控制信號下工作，增加了通態(tài)損耗、增加了成本、降低了可靠性。與這三種方法不同，無(wú)源無(wú)損緩沖電路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三種方法的優(yōu)點(diǎn)。其結構與RCD緩沖電路一樣簡(jiǎn)單，效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高，電磁干擾小、造價(jià)低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應用。

目前，無(wú)源無(wú)損緩沖技術(shù)雖已比較成熟，但在國內外仍不時(shí)有新的拓撲和研究成果發(fā)表。本文在參考了最近20多年中無(wú)源無(wú)損緩沖電路研究成果的基礎上，總結了無(wú)源無(wú)損緩沖電路的結構原理和一般實(shí)現方法。此外，重點(diǎn)介紹了其在PWM DC/DC變換器中兩種最新的拓撲結構，分析了它們的工作原理，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 拓撲分類(lèi)

在過(guò)去的幾十年里，出現了許多不同的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的拓撲結構，它們可以用一套屬性來(lái)描述[1]。為此，可劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是最小電壓應力單元（MVS），如圖1（a），圖1（b）所示；另一類(lèi)是非最小電壓應力單元（Non-MVS）,如圖1（c），圖1（d），圖1（e），圖1(f)所示。最小電壓應力單元^[2]僅使用一個(gè)電感和電容值較小的電容就能使主開(kāi)關(guān)管電壓應力最小，但實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的范圍不大；非最小電壓應力單元^[3]增加了一個(gè)電感，同時(shí)也增加了主開(kāi)關(guān)管的電壓應力，但與最小電壓應力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開(kāi)關(guān)范圍較大。而且，在小功率情況下，具有較高的效率。

(a) MVS (b) MVS

(c)Non-MVS (d)Non-MVS

(e)Non-MVS (f)Non-MVS

圖 1 無(wú) 源 無(wú) 損 緩 沖 電 路 拓 撲 結 構

3 結構原理與實(shí)現方法

硬開(kāi)關(guān)電路在開(kāi)關(guān)時(shí)，存在3種損耗：

1）開(kāi)通時(shí)，由續流二極管的反向恢復電流引起的浪涌電流，會(huì )導致較大的導通損耗；

2）開(kāi)通時(shí)，MOSFET的寄生結電容放電會(huì )引起損耗；

3）關(guān)斷時(shí)，MOSFET的結電容電壓的快速增加，會(huì )導致較大的關(guān)斷損耗。

針對硬開(kāi)關(guān)電路的上述損耗構成，一個(gè)基本的無(wú)源無(wú)損緩沖電路一般都包含3個(gè)功能電路：

1）開(kāi)通緩沖電路；

2）關(guān)斷緩沖電路；

3）饋能電路。

常用的方法是用電感（L）與功率管串聯(lián)，開(kāi)通時(shí)電流只能從零增加，因而“零電流”使開(kāi)通得到軟化；用電容（C）與功率管并聯(lián)，關(guān)斷時(shí)功率管兩端電壓只能從零增大，因而“零電壓”使關(guān)斷得到軟化；用二極管（D）經(jīng)過(guò)一定的拓撲網(wǎng)絡(luò )，在功率管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，將L，C中的存儲能量反饋到電源或饋送給負載。根據變換器電路的不同，電容可直接并聯(lián)于功率管，也可跨接于功率管輸出與負載之間，或跨接于功率管輸入端與電源正端之間。后兩種跨接方式都要求功率管關(guān)斷之前，電容C已充電到電源電壓的大小。饋能電路常用的方法有：當要求一個(gè)電容的充電終了電壓要大于電源電壓時(shí)，則電源可通過(guò)電感給電容充電，如忽略損耗，充電終了電壓將達到2倍電源電壓；如一個(gè)充好電的電容，在工作中需要改變電壓極性，則可通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電感實(shí)現振蕩放電來(lái)完成；電感還可用于將一個(gè)電容的儲能轉移到另一個(gè)電容中去，當然這里還必須有二極管組成的電路配合；能量的存儲或轉移還可采用互感的方法等等。

無(wú)源無(wú)損緩沖電路的三功能電路結構特點(diǎn)，雖然無(wú)法象有源軟開(kāi)關(guān)方案那樣，在超前或滯后主開(kāi)關(guān)的控制時(shí)序下吸收能量或供給能量，以創(chuàng )造出真正的ZVS或ZCS條件，但它通過(guò)將開(kāi)關(guān)期間的電壓與電流波形錯開(kāi)，使二者的重疊面積最小，可以顯著(zhù)降低前述1）和3）項開(kāi)關(guān)損耗。雖然對2）項的開(kāi)關(guān)器件內寄生結電容的放電損耗，無(wú)法被無(wú)源無(wú)損緩沖電路所消除，但此種損耗較其它開(kāi)關(guān)損耗低得多，對于提高整體效率作用較小?？紤]到無(wú)源無(wú)損緩沖電路沒(méi)有引入輔助有源器件，和其它軟開(kāi)關(guān)方案相比，它沒(méi)有增加額外的輔助有源器件損耗，因此，在同樣的開(kāi)關(guān)損耗功率降低情況下，無(wú)源無(wú)損緩沖電路可以獲得更高的效率提高[4]。所以，無(wú)源無(wú)損緩沖電路被廣泛地應用于PWM變換器中。

4 無(wú)源無(wú)損緩沖電路在DC/DC變換器中的應用

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)源無(wú)損緩沖電路不僅廣泛應用于PWM DC/DC變換器，PWMAC/DC整流器[5]和PWM DC/AC逆變器^[6]中，而且與多電平變換器和PFC也有著(zhù)密切的聯(lián)系^[7]。以下介紹兩種無(wú)源無(wú)損緩沖電路在PWM DC/DC變換器中的最新拓撲結構。

4.1 再生式的無(wú)源無(wú)損緩沖電路

圖2為文獻[8]提出的一種無(wú)源再生式的軟開(kāi)關(guān)Boost變換器，它是傳統的L＋RCD復合型緩沖電路的改進(jìn)。其改進(jìn)點(diǎn)包括：

圖 2 再 生 式 無(wú) 源 無(wú) 損 緩 沖 電 路

1）去掉放電電阻R；

2）去掉專(zhuān)門(mén)的功率電感器L，巧妙地用一個(gè)同輸入電感L_p耦合的小功率繞組L_a代替。

下面分析圖2電路的工作過(guò)程。分析中假設：

1）輸入電壓V_i恒定，主電感L_p遠大于緩沖電感L_s，以致輸入電流I_s恒定；

2）輸出電容C_o足夠大，以致輸出電壓V_o恒定；

3）只考慮續流二極管D的反向恢復電流和主開(kāi)關(guān)S的開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間，其它元器件均為理想的；

4）初始狀態(tài)為S關(guān)斷，D開(kāi)通，i_D=I_s。

則對感性負載CCM工作情況，穩態(tài)時(shí)每個(gè)周期可以分為以下6個(gè)模態(tài)，相應的等效電路圖和主要波形圖如圖3及圖4所示。

(a) 模 態(tài)1(t₁～t₂)等 效 電 路