一種新型的零電壓零電流轉移dc－dc變換器的製作方法
2023-12-11 11:00:22 1
專利名稱：一種新型的零電壓零電流轉移dc－dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，具體地說，是涉及一種軟開關的PWM變換器。
背景技術：
硬開關PWM變換器以其拓撲結構簡潔、控制方式簡單、工作頻率恆定以及輸出調節特性好而得到廣泛應用。在高壓、大功率應用場合，功率器件承受的電壓、電流應力大，開關損耗大，並且電壓尖峰和電流浪湧帶來的電磁幹擾可能影響變換器的正常工作。在傳統的設計中通常需用較大容量的開關器件輔以吸收電路，開關頻率難以提高。為解決這些問題，近年來國內外提出了許多軟開關技術，如諧振開關技術、零開關技術和零轉移技術等。其中零轉移變換器由於採用輔助網絡，利用輔助開關控制諧振元件的諧振過程，在保持PWM變換器優點的同時實現了軟開關，減少了開關損耗，成為電力電子領域的研究熱點。儘管目前出現許多新型電路拓撲，但仍存在著一些不足，如開關管電壓電流應力大、輔助管不能實現軟開關、主開關管不能實現四個零、存在較大環流能量等。
發明內容
本發明的目的在於提供一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器。
本發明是這樣構成的一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，包括由主開關管S1、功率二極體D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網絡1和由輔助管S3控制的輔助諧振網絡2，其特徵在於電源正極通過電感Lf分別連接到開關管S1的集電極、電容C1的一端、開關管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極體D的正端；開關管S1的發射極、電容C1的另外一端連接到電源的負端；開關管S3的發射極分別與電感Lr2的一端及二極體D3的正極連接，電感Lr2另一端經電容C2連接到電源的負端；耦合電感L1的另一端經電感Lr1分別與二極體D5、二極體D4的正極相連，二極體D5的負極分別連接到開關管S2的集電極、二極體D3的負極，開關管S2的發射極與電源的負端相連；電感L2的同名端與二極體D2的正極相連，二極體D的負極分別連接到二極體D2和二極體D4的負極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負端連接；三個開關管S1、S2、S3的基極分別連接到三個控制電路。
本發明是一種新型的零電壓零電流轉移的軟開關DC-DC變換器電路拓撲，它通過採用兩條輔助諧振支路實現了全部主、輔開關的軟開關。由於主開關管實現了四個零，消除了電壓和電流的交疊現象、降低了開關損耗；四個斜坡，減小了 開關應力減小，同時也解決了硬開關PWM變換器引起的EMI問題、二極體的反向恢復問題。在較寬的負載範圍內，零電壓、零電流開關條件均可以得到保證。該新型軟開關DC-DC變換器由於主開關管和輔助管都實現了零電流通斷，主開關管和輔助管均可用IGBT作為開關器件用於高電壓、大功率應用場合。
圖1是本發明的軟開關電路圖；圖2是本發明的模式1工作狀態的等效電路；圖3是本發明的模式2工作狀態的等效電路；圖4是本發明的模式3工作狀態的等效電路；圖5是本發明的模式4工作狀態的等效電路；圖6是本發明的模式5工作狀態的等效電路；圖7是本發明的模式6工作狀態的等效電路；圖8是本發明的模式7工作狀態的等效電路；圖9是本發明的模式8工作狀態的等效電路。
具體實施例方式
本發明涉及一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，包括由主開關管S1、功率二極體D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網絡1和由輔助管S3控制的輔助諧振網絡2，其特徵在於電源正極通過電感Lf分別連接到開關管S1的集電極、電容C1的一端、開關管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極體D的正端；開關管S1的發射極、電容C1的另外一端連接到電源的負端；開關管S3的發射極分別與電感Lr2的一端及二極體D3的正極連接，電感Lr2另一端經電容C2連接到電源的負端；耦合電感L1的另一端經電感Lr1分別與二極體D5、二極體D4的正極相連，二極體D5的負極分別連接到開關管S2的集電極、二極體D3的負極，開關管S2的發射極與電源的負端相連；電感L2的同名端與二極體D2的正極相連，二極體D的負極分別連接到二極體D2和二極體D4的負極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負端連接；三個開關管S1、S2、S3的基極分別連接到三個控制電路。
上述的DC-DC變換器，如圖2所示，它的工作原理是這樣的為簡化分析，假設電路中所有元器件都是理想的，輸入濾波電感Lf足夠大，用恆流源Ii代替，輸出濾波電容C0足夠大，用恆壓源V0代替。設t＝t0以前，主開關管S1和輔助開關S2、S3均關斷，諧振電容C2的電壓為Vc2max。一個開關周期內有八種運行模式，如圖2所示(1)模式1(t0～t1)t0時，輔助管S2零電流導通，有兩種工作情況(a)電感Lr1電流由零線性充電至 iLr1=iLr2=Ii2,]]>整流二極體電流iD＝Ii-iL1-iL2＝0，整流二極體D零電流關斷，線性充電時間t01=IiLr12V0.]]>(b)Lr2通過S2、D3與C2發生諧振，有iLr2=-VC2maxZr2sin2(t-t4)---(1)]]>uc2＝VC2maxcosω2(t-t4) (2)式中，2=1Lr2C2,]]>Zr2=Lr2C2.]]>經過 諧振周期後停止諧振，這一段時間可能延續到模式2和模式3。
模式2(t1～t2)t1時iD＝0，整流二極體D關斷，Lr1通過S2與C1發生諧振，有iLr1=12Ii+V0Zr1sin1(t-t1)---(3)]]>uC1=12V0[1+cos1(t-t1)]---(4)]]>式中，1=2Lr1C1,]]>Zr1=2Lr1C1.]]>C1電壓uC1逐漸降低，同時耦合電感次級電流iL2通過D2流到負載，輔助開關承受較小的電流應力，這個階段時間t12=1=Lr1C12.]]>(3)模式3(t2～t3)t2時，uC1＝0，主開關管體內反並二極體D1導通，此時給主開關管S1加上觸發脈衝，S1零電壓接通。諧振電感Lr1電流iLr1=12Ii-V0Lr1(t-t2),]]>諧振電感Lr1中能量反饋到負載，諧振電感線性放電，流過主開關管S1電流線性增加，S1為零電流接通。當t23=IiLr12V0]]>時，iLr1＝0，輔助管S2電流iS2＝0，此後到輔助管S3開通前任何時刻關斷輔助開關管S2均可實現輔助管S2零電流關斷。
(4)模式4(t3～t4)t3時，主開關管S1的漏源電流達到濾波電感Lf的電流Il，電路恢復到傳統的PWM工作狀態。
(5)模式5(t4～t5)t4之前，主開關S1導通，C2電壓已充電到-Vc2max。t4時，輔助管S3零電流導通，Lr2通過S1、S3與C2發生諧振。在這一時間段有iLr2=VC2maxZr2sin2(t-t4)---(5)]]>uc2＝-VC2maxcosω2(t-t4) (6)諧振電流iLr2迫使主開關管S1的漏源電流iS1＝Ii-iLr2以正弦規律減小，當iLr2諧振到等於輸入電流Ii時，主開關管S1中的電流下降為零。之後，iLr2繼續諧振上升，S1所在支路電流變負，S1的反並二極體導通，經過 諧振周期後，iLr2=VC2maxZr2]]>達到最大值，然後諧振下降。當iLr2諧振下降到再次等於Ii時，S1的反並二極體D1電流下降為零。在S1的反並二極體D1導通期間，關斷主開關管S1可實現零電壓零電流關斷。此段時間間隔t45=2Lr2C2.]]>(6)模式6(t5～t6)主開關管S1關斷後，Lr2與C2、C1繼續發生諧振，電容C1電壓uC1由零開始逐漸增加，C2電壓也繼續增加。當uC1＝V0時，整流二極體D導通。
(7)模式7(t6～t7)
整流二極體D導通後，Lr2與C2繼續諧振，在這一時間斷有iLr2=ILM2+(VCM-V0Zr2)2cos[2(t-t6)+]---(7)]]>uC2=V0+(VCM-V0)2+ILM2Zr22sin[2(t-t6)+]---(8)]]>式中，=tan-1VCM-V0Zr2ILM,]]>ILM＝iLr2(t6)，VCM＝uc2(t6)當諧振電流iLr2下降到零時，諧振電壓uC2達到最大值VC2max=V0+(VCM-V0)2+ILM2Zr22,]]>這個時間段結束，t67=(2-)Lr2C2.]]>(8)模式8[t7～t8(t0)]t7時，Lr2與C2的諧振停止，uC2電壓保持在最大值VC2max，iLr2＝0，流過輔助管S3的漏源電流為零，此後到輔助管S2開通前任何時刻均可使輔助管S3零電流關斷。t7以後整流二極體D已完全導通，電路又回到傳統的PWM工作狀態。t8時輔助管S2導通，電路又重複上一個周期的工作。
由以上分析可知，要實現主開關管ZVS，關鍵在於模式1和模式2。模式1實現了輸出整流二極體D的零電流軟關斷，而D的關斷又為Lr1和C1的諧振創造了條件。在模式2，要實現S1零電壓接通必須保證uC1在主開關管S1開通前從V0諧振到零，需滿足以下條件T2ont01+t12=IiLr12V0+Lr1C12---(9)]]>式中，T2on為輔助管S2脈衝寬度。
同時，為了使輔助管S2實現零電流關斷還必須滿足下列條件T2ont01+t12+t23=IiLr1V0+Lr1C12---(10)]]>T2onLr2C22---(11)]]>顯然，要使主開關管S1實現零電壓接通，輔助管S2也實現零電流關斷，必須同時滿足式(10)和式(11)。
在輔助管S2導通期間，有兩條支路電流流過輔助管S2，一條來自電感Lr1電流，另一條來自電感Lr2電流。在此期間，Lr2、C2諧振支路uC2由Vc2max變為-Vc2max，iLr2從0諧振到最大值再回到0，之後保持諧振值直至輔助管S3開通，為主開關管S1零電流關斷創造條件。
實現主開關管ZCS的關鍵在於模式5，利用Lr2、C2諧振迴路的分流作用使主開關管的電流發生轉移，iS1＝Ii-iLr2，諧振支路電流iLr2逐漸增加，主開關管電流iS1逐漸減小，直至iS1＝0時實現零電流關斷。在此階段Lr2、C2諧振得以發生的前提是必須給電容C2賦予一定的初始電壓，且主開關管實現零電流關斷必須滿足以下條件iLr2max=|VC2maxZr2|Ii---(12)]]>要使輔助管S3也實現零電流關斷還必須滿足T3on≥t45+t56+t67(13)式中T3on為輔助管S3脈衝寬度。
權利要求
1.一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，包括由主開關管S1、功率二極體D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網絡1和由輔助管S3控制的輔助諧振網絡2，其特徵在於電源正極通過電感Lf分別連接到開關管S1的集電極、電容C1的一端、開關管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極體D的正端；開關管S1的發射極、電容C1的另外一端連接到電源的負端；開關管S3的發射極分別與電感Lr2的一端及二極體D3的正極連接，電感Lr2另一端經電容C2連接到電源的負端；耦合電感L1的另一端經電感Lr1分別與二極體D5、二極體D4的正極相連，二極體D5的負極分別連接到開關管S2的集電極、二極體D3的負極，開關管S2的發射極與電源的負端相連；電感L2的同名端與二極體D2的正極相連，二極體D的負極分別連接到二極體D2和二極體D4的負極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負端連接；三個開關管S1、S2、S3的基極分別連接到三個控制電路。
2.根據權利要求1所述的一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，其特徵在於，所述的輔助諧振網絡1由耦合電感L1、諧振電感Lr1、二極體D5、輔助開關管S2和諧振電容Cr1組成，用於實現主開關管S1的零電壓接通。L1和L2組成的耦合電感使輔助開關管S2實現了零電流關斷，也減少了輔助開關管S2的電流應力。
3.根據權利要求1所述的一種新型的零電壓零電流轉移DC-DC變換器，其特徵在於，所述的輔助諧振網絡2由諧振電感Lr2、輔助開關管S3和諧振電容C2和主開關管S1組成，用於實現主開關管S1的零電流關斷和輔助開關管S3的零電流通斷。Lr2、C2、D3和S2組成的諧振網絡用於使電容C2反極性，為輔助諧振網絡2的工作創造條件。
全文摘要
本發明涉及一種新型的零電壓零電流轉移DC－DC變換器，包括由主開關管S1、功率二極體D和儲能電感Lf組成的升壓式DC－DC變換器，由輔助開關管S2控制的輔助諧振網絡1和由輔助開關管S3控制的輔助諧振網絡2，通過採用輔助諧振網絡1和諧振網絡2實現了主開關管S1的零電壓零電流通斷、輔助開關管S2和S3的零電流軟開關。該DC－DC變換器由於主開關管和輔助開關管都實現了零電流通斷，主開關管和輔助開關管均可用IGBT作為開關器件用於高電壓、大功率應用場合。
文檔編號H02M3/335GK101068097SQ200710008738
公開日2007年11月7日 申請日期2007年3月23日 優先權日2007年3月23日
發明者林國慶 申請人:福州大學