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EEPW首頁(yè) > 電源與新能源 > 設計應用 > 一種新型的ZVS-PWM-MR Boost變換器

一種新型的ZVS-PWM-MR Boost變換器

作者: 時(shí)間:2011-12-23 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
1.概 述

  小型輕量化是目前開(kāi)關(guān)電源類(lèi)產(chǎn)品的追求目標,實(shí)現這一目標的主要手段是提高開(kāi)關(guān)頻率。然而開(kāi)關(guān)頻率的提高會(huì )帶來(lái)開(kāi)關(guān)損耗增加、嚴重的電磁干擾(EMI)等問(wèn)題,這些都限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。技術(shù)的出現能很好的解決這些問(wèn)題,但是目前技術(shù)的發(fā)展還不夠完善,存在著(zhù)不少問(wèn)題,如在實(shí)現所有開(kāi)關(guān)管的、降低電壓和電流應力以及在較寬的輸入和負載范圍內實(shí)現軟開(kāi)關(guān)等方面還有待進(jìn)一步的發(fā)展[1,3]。

  本文提出了一種的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現方法,它實(shí)現了所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān),這不僅能降低開(kāi)關(guān)損耗,更能顯著(zhù)降低電磁干擾(EMI),同時(shí)它還具有和Boost硬開(kāi)關(guān)變換器相同的電壓、電流應力,且能在與Boost硬開(kāi)關(guān)變換器近似相同的輸入和負載調節范圍內實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。

2.工作原理

  變換器的原理圖如圖1,其中D1、D2和C1、C2分別是開(kāi)關(guān)管S1和S2的寄生二極管和寄生電容,在傳統硬開(kāi)關(guān)的基礎上增加了開(kāi)關(guān)管S2、二極管D3、D4和電感L ,它們與C1、C2共同構成了諧振網(wǎng)絡(luò )。

圖1 變換器電路原理圖

  為便于分析,假定Lf和Cf足夠大,則輸入可等效為電流源,輸出等效為電壓源。

圖2 變換器主要工作波形



  (a) 在t0之前,S1關(guān)斷,S2導通,電感L通過(guò)S2、D3續流,保持能量,等效電路圖如圖3(g)。在t0時(shí)刻,S2關(guān)斷,電感L上儲存的能量給C2充電,C2上電壓持續上升直至達到V0,此后D4自然導通,將Vc2鉗位至V0。此階段S2零電壓關(guān)斷,D4零電壓導通。

  (b)在此階段,L繼續通過(guò)D4、負載和D3通路放電,至t2時(shí)刻電感電流降至零,D3和D4自然關(guān)斷。此階段D3和D4零電流關(guān)斷。在(a)、(b)階段輸入電流均全部流經(jīng)整流二極管Do。

  (c)電感電流降至零以后L與C1、C2形成諧振,電感電流改變方向,這時(shí)通過(guò)整流二極管Do的電流將是輸入電流Ii和諧振電流IL的和,其峰值為IDomax=Ii+Vo/Ze,其中
。這是整個(gè)周期內唯一一次過(guò)沖,但由于寄生電容的值較小,通過(guò)適當的取值可使其遠小于L,這樣IDomax≈Ii,與傳統硬開(kāi)關(guān)變換器相應的值相同。

  (d)通過(guò)前一階段的多諧振,將C1、C2上儲存的能量放掉,t3時(shí)刻C1、C2上電壓,也即是開(kāi)關(guān)管S1、S2漏源極間的電壓降至零,故此時(shí)可在條件下開(kāi)通S1和S2。由于L的存在,通過(guò)S1、S2的電流線(xiàn)升,故S1和S2開(kāi)通時(shí)也處于零電流狀態(tài)。同時(shí),通過(guò)Do的電流線(xiàn)性下降,至t4時(shí)刻IL上升至I0,IDo下降至零,Do自然關(guān)斷。

  (e)在此階段輸入電流全部流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S1、S2,這與傳統硬開(kāi)關(guān)中的升壓電感儲能階段類(lèi)似。PWM控制的實(shí)現也是通過(guò)調節此階段時(shí)間的長(cháng)短來(lái)實(shí)現的。

  (f)在t5時(shí)刻關(guān)斷S1,則其寄生電容被充電,電壓線(xiàn)性上升,故S1是關(guān)斷。同時(shí)Do兩端的電壓線(xiàn)性下降,至t6時(shí)刻VC1上升至Vo,VDo下降降至零,則Do在條件下開(kāi)通。

  (g)此階段與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器中的升壓電感向負載釋放能量階段類(lèi)似,輸入電流全部經(jīng)整流二極管Do流向負載側。與傳統硬開(kāi)關(guān)變換器不同的是,諧振電感L通過(guò)S2、D3形成續流通路而保持能量。至t7時(shí)刻S2關(guān)斷,完成一個(gè)循環(huán)周期。

3. 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現條件

  1)時(shí)間條件

  從上述工作原理的分析可很容易的得到實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的時(shí)間條件為:S2的關(guān)斷時(shí)間應滿(mǎn)足
, S1的開(kāi)通時(shí)間應滿(mǎn)足
。同時(shí)應注意到由于諧振電容的值很小,諧振階段在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中所占比例是很小的,在忽略諧振階段的情況下,該變換器的輸出-輸入調節比為
,其中
,這與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器是相同的,因此該變換器與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器具有相同的輸入與負載調節范圍。

  2)能量條件

  此變換器實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的能量條件是在[t0-t1]時(shí)間段結束時(shí),應保證C2能充電至Vo。由于采用開(kāi)關(guān)管的寄生電容作為諧振電容,故對于某一特定的變換器,C1和C2的值是確定的,需要選擇的是諧振電感L的值。在[t0-t1]階段,有
及初始條件



4.仿真驗證

  為驗證此軟開(kāi)關(guān)變換器的工作情況,設計了一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz,功率為50 W的Boost變換器,各開(kāi)關(guān)管的電壓、電流波形如圖4所示,可以看出,所有的開(kāi)關(guān)管都實(shí)現了軟開(kāi)關(guān),因此波形都較為干凈,基本不存在開(kāi)關(guān)噪聲,這也意味著(zhù)較低的電磁干擾(EMI)。


5.結 論

  本文提出了一種新型的ZVS-PWM Boost變換器,詳細分析了其工作原理,并進(jìn)行了驗證,結果表明它能實(shí)現所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān),有效降低了電磁干擾,并具有較低的電壓、電流應力。


參考文獻

[1] B.P. Divakar and Ioinovici,A. PWM converter with low stress and zero capacitive turn-on losses. IEEE Trans on Aerospace and Electronic System,vol.33,No.3. pp. 913-920,July 1997.
[2] Yungtaek Jang and Milan M. Jovanovic. A new, soft-switched, high-power-factor Boost converter with IGBTs. IEEE Trans on Power Electronics,vol.17, No.4. pp. 469-476,July 2002.
[3] 阮新波,嚴仰光. 直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù). 北京:科學(xué)出版社

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