軟開關buck變換器的製作方法
2024-02-11 15:12:15
專利名稱：軟開關buck變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種DC/DC變換器，尤其涉及一種軟開關BUCK (降壓)變換器。
背景技術：
現代影視照明需要人造光源模擬自然光源。金屬滷化物燈(Metal halide ，簡稱MH燈) 是一種新型高效率的高壓氣體放電燈。MH燈光的頻譜十分接近太陽光的頻譜，是一種替代 自然光的新型電光源。為影視製作、現場直播提供了方便。與其它類型的高壓氣體放電燈 一樣，MH燈具有負增量阻抗的電氣特性，在電網與燈之間，需要插入一個鎮流器限制電流 才能使其穩定工作。
目前使用的鎮流器有電感鎮流器和電子鎮流器兩種。其中，電子鎮流器是以PWM (Pulse Width Modulation,脈寬調製)型開關變換器為基礎，輸出電壓和電流為低頻(小 於300Hz)方波。其主要優點是，無聲共振現象，最大輸出功率等級為18kW，無頻閃。因 此，受到廣泛的應用。
如圖1所示，為現有技術中MH燈用電子鎮流器的方框圖，包括DC/DC變換器和DC/AC逆 變器。DC/DC變換器的主要功能是使其輸出電壓和電流的特性與燈的電氣特性相匹配，保證 燈的平穩起動和恆功率穩態工作。DC/AC逆變器輸出低頻方波電壓和電流來驅動MH燈。高壓 觸發器提供高頻的觸發脈衝使燈內的氣體開始放電，形成等離子體。
現有技術中的DC/DC變換器的拓撲結構如圖2所示，包括開關T、 二極體D、電感L。
上述現有技術至少存在以下缺點
開關T採用的是硬開關，所以其開關損耗大，二極體D有很大的反向恢復電流，損耗 大、可靠性低、效率低。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種損耗低、可靠性高、效率高的軟開關BUCK變換器。 本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的
本實用新型的軟開關BUCK變換器，包括直流輸入端、直流輸出端，所述直流輸入端與 直流輸出端之間設有正極線路和負極線路，所述負極線路上串聯有主開關管和濾波電感，所述主開關管與濾波電感的連接點與所述正極線路之間連接有續流二極體，所述續流二極 管的陰極與所述正極線路相連，所述主開關管並聯有輔助支路，所述輔助支路串聯有輔助 開關管、第四二極體、諧振電感，所述第四二極體的陰極與所述輔助開關管相連，所述主 開關管和輔助開關管分別為軟開關。
由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型所述的軟開關BUCK變換器， 由於負極線路上串聯有主開關管和濾波電感，主開關管與濾波電感的連接點與正極線路之 間連接有續流二極體，主開關管還並聯有輔助支路，輔助支路串聯有輔助開關管、第四二 極管、諧振電感，主開關管和輔助開關管分別為軟開關。損耗低、可靠性高、效率高。
圖1為現有技術中MH燈用電子鎮流器的方塊圖2為現有技術中DC/DC變換器的拓撲結構；
圖3為本實用新型軟開關BUCK變換器的拓撲結構；
圖4為本實用新型中主開關管Z1及輔助開關管Z2的驅動信號波形圖5a為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段l的等效電路圖5b為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段2的等效電路圖5c為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段3的等效電路圖5d為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段4的等效電路圖5e為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段5的等效電路圖5f為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段6的等效電路圖5g為本實用新型軟開關BUCK變換器的工作階段7的等效電路圖6為本實用新型軟開關BUCK變換器的各個工作階段的主要波形圖7為本實用新型中At2 (=t2-tO與Lr的關係圖8為本實用新型中AL與L的關係圖。
具體實施方式
本實用新型的軟開關BUCK變換器，較佳的具體實施方式
如圖3所示，包括直流輸入 端、直流輸出端，直流輸入端與直流輸出端之間設有正極線路和負極線路，負極線路上串 聯有主開關管Z,和濾波電感L，主開關管Z,與濾波電感L的連接點與正極線路之間連接有續 流二極體Ds，續流二極體D5的陰極與正極線路相連，主開關管Z,並聯有輔助支路，輔助支路 串聯有輔助開關管Z2、第四二極體D4、諧振電感L，第四二極體D4的陰極與輔助開關管Z2相 連，主開關管Z,和輔助開關管Z2分別為軟開關。
續流二極體D5並聯有第二電容C2與第二二極體D2的串聯支路，第二二極體D2的陰極與續 流二極體Ds的陰極相連，第二電容C2的一端與第二二極體D2的陽極相連，第二電容C2的另--端與續流二極體D5的陽極相連。
第四二極體D4與輔助開關管Z2的連接點與第二二極體D2與第二電容C2的連接點之間連接
有第三二極體D3，第三二極體D3的陰極與第二二極體D2的陽極相連，第三二極體D:,的陽極與 第四二極體D4的陰極相連。
主開關管Z,還可以並聯有第一二極體D"第一二極體D,的陽極與直流輸入端的負極相 連。主開關管Z,還可以並聯有第一電容d。
濾波電感L可以遠大於諧振電感L。
圖3是本實用新型軟開關BUCK變換器的具體實施例的拓撲圖，為了滿足MH燈鎮流器的 要求，BUCK變換器中沒有輸出電容，根據需要，也可以增加輸出電容，若是加上輸出電容 其工作原理不變。圖3中，L是濾波電感，Lr是諧振電感，且HlL;≥是主開關管，而L 是輔助開關管；Ds為續流二極體；R1是燈的穩態等效負載。在一個開關周期中，Z,的導通時 間遠遠大於Z2的導通時間。在該拓撲中，主開關管Zt實現了ZVS (零電壓開關)開啟和關 斷；輔助開關管Z2實現了ZCS (零電流開關)開啟、ZVS關斷；續流二極體仏實現了ZVS開 啟、ZVS且ZCS關斷。
如圖4所示，分別為主開關管Z,和輔助開關管Z2的驅動信號波形，從圖中的驅動信號波 形可知，輔助開關管Z2在主開關管Z1開啟之前提前開啟，為主開關管Z,創造了ZVS開啟的條 件。當主開關管Zi關斷時，由於其兩端的第一電容Ct的容量較大，第一電容C,兩端的電壓是
緩慢的上升，因此，主開關管z,實現了zvs關斷。從而減低了主開關管z,的開關功率損耗。
因為諧振電感L和輔助開關管Z2串聯，使輔助開關管Z2為ZCS開啟，並抑制了續流二極體D5的 反向恢復電流，從而續流二極體D5實現了ZCS關斷。當輔助開關管Z2關斷時，第二電容G和諧 振電感L發生串聯諧振，實現了輔助開關管Z2的ZVS關斷並為續流二極體D5的ZVS開啟創造條 件。因此降低了輔助開關管Z2和續流二極體D5的開關損耗。總之，本實用新型的拓撲中的 所有功率開關全是軟開關，所以它有較小的開關損耗。
下面對本實用新型的工作原理做詳細的描述 為了簡化分析過程，做以下的假設
(1) 所有的開關管和二極體均是理想的開關；
(2) 所有的電容和電感都是理想的線性器件；
(3) 濾波電感L》諧振電感U;
(4) 濾波電感L足夠的大，在一個開關周期中，其電流基本保持不變，這樣濾波電感L和負載RL可以看成一個電流為1。的恆流源。
為了便於分析，在一個工作周期中，本實用新型可分為7種開關狀態，其各個工作階 段的等效電路圖如圖5a—圖5g所示，相應的主要波形如圖6所示。
(1) 階段l， [t。〈t〈t]:
在t〈t。時刻，主開關管Zt和輔助開關管Z2均處於關斷狀態，其等效電路如圖5g所示，續 流二極體D5導通，且濾波電感L上的電流為I。，第一電容d的端壓為輸入電壓Vin，第二電容 C』勺端壓為零。
在t=t。時，輔助開關Z2開啟，其等效電路如圖5a所示。根據等效電路可知，輔助開關
管Z2和續流二極體D5上的電流表達式分別為
see original document page 6
由上式知，在t=t。時刻，輔助開關管Z2和第四二極體D4實現了ZCS開啟；在t:t,時刻諧振電感L的電流達到I。，同時續流二極體Ds的電流線性減小為零，有效地抑制續流二極體D; 的反向恢復電流，實現軟恢復。
(2) 階段2， [t,〈t〈t2]:
在t=t1時刻，諧振電感L和第一電容d開始並聯諧振，其等效電路如圖5b所示。諧振電感L的電流和第一電容d及續流二極體D5的端電壓的表達式分別為
see original document page 6
式中see original document page 6
從(5)式可知，續流二極體D5是ZVS關斷。在t=t2時刻，第一電容d上的儲能全部轉移 到諧振電感L，即第一電容d的端壓為零，諧振電感L上的電流達到最大值。諧振電感L上的電流增量ΔIlr滿足下面方程
see original document page 6
由(6)式可得諧振電感Lr上的電流最大值Ilr max的計算公式為see original document page 6
(3) 階段3, [t2〈t〈t3]:
在t＝t2時刻，第一二極體D1為ZVS開啟(其電流為see original document page 7 )，為主開關管Z1的零 電壓開啟創造條件。其等效電路如圖5c所示。因此，在t2〈t〈t3,期間，主開關管Z1,可以實現 ZVS開啟。
(4) 階段4, [t3<t<t4]:
在t=t3刻，關斷輔助開關管Z2，諧振電感Lr和第二電容C2通過第三二極體D:,和第四二 極管D,開始諧振，且第三二極體D3是ZVS開啟，其等效電路如圖5d所示。根據等效電路，可 得如下的表達式
see original document page 7
式中see original document page 7
由等效電路可知，第二電容C2和輔助開關管Z2是並聯的，且第二電容C2兩端的電壓是緩 慢上升的，因此輔助開關管Z2是ZVS關斷。在t=t4寸刻，存儲在諧振電感L上的能量完全地 轉移到第二電容C2。第三二極體D3和第四二極體D4實現了ZCS關斷。理想情況是諧振電感Lr 上的儲能滿足方程(10)，即第二電容C2的端壓達到電源電壓Vin。
(5) 階段5， [t4〈t<t5]:
在這個階段中，與現有技術中的DC/DC變換器的工作狀態相同，等效電路如圖5e所示。
(6) 階段6， [t5<t〈t6]:
在t=t5刻，主開關管Z,關斷。輸出電流開始向第一電容C1充電，其端壓緩慢上升， 主開關管Z,實現ZVS關斷，其等效電路圖如圖5f所示。當VC1(t)+Vc2(t)-Vin時，第二二極體D2是
ZVS開啟。隨後，第一電容C1充電，同時第二電容C2放電。在t＝t6時刻，VC1(t)＝Vin且Vc2(t)＝0時，第二二極體D2實現了ZVS關斷。
(7) 階段7， [t6〈t〈t7]:
在t＝t6時刻，第二電容C2的端壓為零，續流二極體D5實現了ZVS開啟，其等效電路如圖 5g所示。在這個階段，續流二極體D5與現有技術中的DC/DC變換器的工作狀況相同。在t＝t7 時刻，輔助開關管Z2再次開啟，開始進入下一個開關周期循環。
下面對本實用新型的設計方法和步驟做詳細的描述
本實用新型具體實施例的設計的技術指標如下輸入電壓275VDC，輸出電壓120VDC，穩態正常的輸出電流50A，負載6kW MH燈，其穩態等效電阻為2.4歐姆，開關的工作頻率為 20kHz;濾波電感工作在CCM (輸入電流連續)條件下。
其主要設計過程如下
第一步，濾波電感L的選擇
當負載MH燈進入穩態後，輸出電壓V。和等效負載IM呆持不變。濾波電感工作在CCM條件 下，主開關管Zl的佔空比Dx1-V。/Vin，濾波電感L上的紋波電流ΔIlm，
see original document page 8 (11) 當濾波電感L工作在臨界狀態時，ΔIlm=2IG，濾波電感Lm的臨界電感Ilm的表達式為
see original document page 8 (12)
在實際電路中，若要濾波電感L工作在CCM，貝UL就要比臨界電感L。。稍大一些。如果濾 波電感上的紋波電流過小，其損耗也會相應地減小，然而電感的體積和成本會增加；如果 濾波電感上的紋波電流過大，其電感的體積和成本都會減小，然而損耗會增加，並且過大 的高頻的紋波電流會損傷MH燈。權衡利弊，工程上一般按下式選擇濾波電感上的紋波電流
see original document page 8 (13)
則濾波電感Lm的計算公式為
see original document page 8(14)
第二步，諧振電感Lr的選擇
如圖7、圖8所示，分別是Δt2 (-t2-t1)與Lr的關係曲線圖和ΔL與Lr的關係曲線圖。
從圖中可以看出若諧振電感L的值過大，At2的時間會過大，這樣就限制了開關的工 作頻率。由階段l分析可知，若是諧振電感L的值過小，諧振電感Lr上的電流上升的速度快，這樣不利於有效地抑制續流二極體D5的反向恢復電流。由階段2分析可知，諧振電感Lr 的值過小，Alu會很大，這樣會增加輔助開關管Z2導通損耗。在工程設計中， 一般選 a"=6-o = o'emzl7;。這樣可以根據等式(D計算出諧振電感Lr的值
see original document page 8 (15)
由於在實際的電路中，所有元器件都不是理想的，因此濾波電感Lm上的電流在Z,關斷 時是減小的。故在實際計算時用濾波電感L上電流的最小值代替等式(15)中的I。。
8
第三步，第一電容d和第二電容C2的選擇
為了使主開關管Z,在ZVS條件下開啟，儲存在第一電容d上的能量必須在階段2全部轉 移到L，因此第一電容C,的值和諧振電感L的值滿足等式(6)，即第一電容C,的值可以通過 下式計算出
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其中一般ΔILr≈ΔILm 。
同理，為了使續流二極體D5在ZVS條件下開啟，第二電容C2的值和諧振電感L的值滿足 等式(10)，所以，可以計算出電容C2的值see original document page 9 (17)
根據上面的討論和規則，我們計算出參數如下C,=42nF， G二129. 6nF， L,,,=84. 3uH， Lr=2. 0uH。
仿真和實驗結果
用PspicelO. 0對新電路進行了仿真，參數如下C,=42nF, C2=0129. 6nF, Lr=84. 3uH，' Lr=2. 0uH, Vin=275VDC， RL=2. 4Q ， DZ1=0. 43, DZ2TS=1. 2us (Dz2是輔助開關管Z2的佔空比，Ts 為開關周期)，頻率f^20kHz。從仿真結果中可以得出以下結論(1)主丌關管Z,是ZVS丌 啟和ZVS關斷；(2)輔助開關管Z2是ZCS開啟和ZVS關斷；(3)續流二極體D5是ZVS開啟和ZCS且 ZVS關斷。
製作了一個輸出功率為6kW的實驗樣機，主開關管Zt由4個型號為GT80J101的IGBT (insulated gate bipolar transistor,絕緣柵雙極型電晶體)並聯組成，輔助開關管Z2 由2個型號為GT80J101的IGBT並聯組成，二極體D^ D2、 D3、 D4分別為一個型號為DSEI61-06 的二極體，續流二極體Ds由2個型號為DSEI61-06的二極體並聯組成，無功元件按照第4階段 計算方法得出的參數設計。當實驗樣機驅動6kW的MH燈時，分別測量了開關管Z,、 L的驅動 信號電壓和集電極與發射極之間的電壓。證明了實驗測量和仿真的結果相同。並用功率分 析儀測量了新電路和整個電子鎮流器的效率，實驗結果表明本實用新型的電路有很高的 效率(大約96%)，現有技術用硬開關電子鎮流器的總效率為85%，而本實用新型的總效率 提高到93%。
本實用新型中所有的功率開關均為軟開關，大大的降低了開關損耗，並且沒有額外的
電壓和電流應力；續流二極體D5的反向恢復電流得到很好的抑制，損耗降低，增強了可靠 性。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限 於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變 化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種軟開關BUCK變換器，包括直流輸入端、直流輸出端，所述直流輸入端與直流輸出端之間設有正極線路和負極線路，其特徵在於，所述負極線路上串聯有主開關管和濾波電感，所述主開關管與濾波電感的連接點與所述正極線路之間連接有續流二極體，所述續流二極體的陰極與所述正極線路相連，所述主開關管並聯有輔助支路，所述輔助支路串聯有輔助開關管、第四二極體、諧振電感，所述第四二極體的陰極與所述輔助開關管相連，所述主開關管和輔助開關管分別為軟開關。
2、 根據權利要求1所述的軟開關BUCK變換器，其特徵在於，所述續流二極體並聯有第 二電容與第二二極體的串聯支路，所述第二二極體的陰極與所述續流二極體的陰極相連， 所述第二電容的一端與所述第二二極體的陽極相連，所述第二電容的另一端與所述續流二 極管的陽極相連。
3、 根據權利要求2所述的軟開關BUCK變換器，其特徵在於，所述第四二極體與輔助開 關管的連接點與所述第二二極體與第二電容的連接點之間連接有第三二極體，所述第三二 極管的陰極與所述第二二極體的陽極相連，所述第三二極體的陽極與所述第四二極體的陰 極相連。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的軟開關BUCK變換器，其特徵在於，所述主丌關管並聯 有第一二極體，所述第一二極體的陽極與所述直流輸入端的負極相連。
5、 根據權利要求4所述的軟開關BUCK變換器，其特徵在於，所述主開關管還並聯有第 一電容。
6、 根據權利要求1所述的軟開關BUCK變換器，其特徵在於，所述濾波電感遠大於所述 諧振電感。
專利摘要本實用新型公開了一種軟開關BUCK變換器，輸入電源與負載之間的負極線路上串聯有主開關管和濾波電感，主開關管與濾波電感的連接點與正極線路之間連接有續流二極體，主開關管還並聯有輔助支路，輔助支路串聯有輔助開關管、第四二極體、諧振電感，主開關管和輔助開關管分別為軟開關。主開關管實現了ZVS開啟和關斷；輔助開關管實現了ZCS開啟、ZVS關斷；續流二極體D5實現了ZVS開啟、ZVS且ZCS關斷。損耗低、可靠性高、效率高。
文檔編號H05B41/288GK201181902SQ200820079350
公開日2009年1月14日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年3月12日
發明者劉元超, 張東彥, 張衛平, 張曉強, 趙徐森 申請人:北方工業大學