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一種新型ZCS-PWM Buck變換器研究

發布時間：2010-10-24 11:15 發布者：analog_tech

關鍵詞： Buck , PWM , ZCS , 變換器

1 引言

與功率場效應管(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的開關速度較慢，而且關斷時還存在電流拖尾現象，因而會導致較大的關斷損耗。解決這兩個問題的有效措施是實現IGBT的零電流開關(ZCS)。為此，近幾年已陸續提出了多種ZCS脈寬調制(Pulse Width Modulated，簡稱PWM)技術方案。例如，文獻雖能實現所有有源開關器件的ZCS，但主開關管的電流應力很大，它將顯著增加導通損耗。這一問題在文獻中得到解決，但輔助開關管的電流應力也很大。而且由于兩個諧振電感分別與主開關管、輔助開關管串聯，所以損耗較大，且結構復雜。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開關單元的Boost變換器。在此基礎上研究了基于該新型ZCS PWM開關單元的Buck變換器。它在傳統Buck電路的基礎上增加了一條諧振支路和一條由輔助開關管與二極管串聯而成的輔助支路。在整個負載范圍內。該新型ZCS PWM Buck變換器的主開關管和輔助開關管均工作在ZCS狀態，所有無源開關器件均工作在ZVS狀態，因此開關損耗為零。此外，該變換器的諧振電感不再與主開關管和輔助開關管串聯，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。它由主開關管VS1、輔助開關管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起到將能量傳輸到負載的作用；通過VS2傳輸的能量占總負載能量的比例很小，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：①變換器工作已達到穩態；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。圖2示出每個工作模態所對應的等效電路。

(1)模態1[t0～t1]該模態的等效電路見圖2a。在t0時刻前，VS1和VS2都處于關斷狀態，Lo上的電流Io通過VD2，Lr2，VD1和Lr1續流。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2[t1～t2]該模態的等效電路見圖2b。在該階段，VS1繼續維持導通，此時：

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

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

(4)模態4[t3～t4]該模態的等效電路見圖2d。由于VS2已經關斷，故Lr1，Lr2和Cr將通過VD1，VD2，VS1和Uin發生串聯諧振。

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

(6)模態6[t5-t6]該模態的等效電路見圖2f。此時，Lr1，Lr2和Cr只與電流源串聯，導致Cr線性放電，諧振結束。

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

(7)模態7[t6～t7]該模態的等效電路見圖2g。在該模態中，Io經過VD1，VD2續流。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ZCS軟開關，唯一的條件是

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3 仿真及實驗結果

通過Saber仿真軟件對新型ZCS PWM Buck變換器進行了仿真分析。參數設置：輸入電壓Uin=100V。額定輸出電壓Uo=60V，額定輸出功率Po=300W，開關頻率fs=30kHz，Lr1=Lr2=6μH，Cr=100nF，Lo=1mH，濾波電容Co=470μH,為了驗證仿真結果，設計了一臺實驗樣機，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都實現了軟開關。由于該樣機是以額定電流的10％作為臨界連續電流而設計的。當負載小于額定負載的10％時，系統就進入了電流斷續狀態，功率器件也實現了ZCS。因此，該變換器能在整個負載范圍內實現ZCS。

4 結論

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。它具有下述優點：①結構簡單，所用器件數量少；②所有的有源開關器件都是ZCS，所有的無源開關器件都是ZVS。所以沒有開關損耗：③變換器能在整個負載范圍內實現軟開關。

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

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