恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器的製作方法

2023-06-11 09:57:26 1

專利名稱：恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器的製作方法
技術領域：
本發明屬開關功率變換，特別是恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器。
經典開關功率變換器(包括升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式等)採用恆頻脈寬調製(PWM)控制方式，其控制簡單且濾波元件易於設計，但PWM開關由於強迫通斷而產生交叉損耗，該損耗功率與開關頻率成正比，故不能滿足高頻小型化的要求。以後出現的零電流開關(ZCS)準諧振變換器(美國專利4720667)利用電流諧振實現零電流關斷，從理論上消除交叉損耗，但ZCS準諧振變換器不能消除由開關寄生電容通過開關放電所引起的損耗，從而限制了開關頻率進一步提高，且其必須採用變頻控制，增加了濾波元件的設計難度。再後出現的零電壓開關(ZVS)準諧振變換器(美國專利4785387)又改進為利用電壓諧振實現零電壓導通，從理論上消除交叉損耗，由於其將開關寄生電容納入諧振電容，從而能夠實現高頻開關功率變換，但其電壓諧振峰值比經典PWM開關高得多，故勢必選用通態電阻(或電壓)較大的高壓開關(如高耐壓VDMOS管)，這無疑會增加開關損耗、降低效率，同樣該類變換器必須採用變頻控制，使濾波元件難於設計。為了克服ZVS準諧振變換器的不足，各種部分諧振開關電路相繼問世，如利用可控諧振電容或飽和電感達到部分諧振等，其典型例子參見「Resonant Converter Controlled by Variable Capacitance Devices」(IEEE PESC Record，1990)及「A New Class of Zero-Voltage-Switched PWM Converters」(1991 VPEC Seminar Proceedings)，這種參數可控的諧振開關變換器雖然實現了PWM恆頻控制，但卻未解決開關電壓諧振峰值過大的問題。文獻「Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters」(IEEE PESC Record，1992)提出了一種零電壓轉移(ZVT)PWM變換器(如圖1所示ZVT-PWM降壓式變換器)，該變換器在經典PWM變換器的基礎上引入輔助開關S1諧振支路，從而既能實現恆頻控制又能減小開關準諧振電壓峰值，但由於輔助開關S1未能實現零電壓導通，故限制了開關頻率進一步提高。另外，以半橋及全橋電路為基礎也能實現恆頻控制及零電壓開關諧振電壓峰值限幅，但電路過於複雜。
針對上述各電路的長處及不足，本發明提出一種由主、輔兩支開關複合而成的恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)，利用此開關替代經典開關功率變換器(升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式、CuK式變換器等)的功率開關，即形成一簇CF-ZVERS變換器，可同時實現(1)恆頻PWM控制;(2)主、輔開關均為零電壓開關;(3)電路簡單，易於實現。
本發明所述的CF-ZVERS變換器包括輸入直流電源、傳能電感(或變壓器或電容)、整流(或續流)二極體、CF-ZVERS、輸出濾波器及負載。其核心CF-ZVERS的基本設計思想就是在零電壓準諧振開關的基礎上，加上限幅電路和輔助開關，使開關波形在上升和下降沿發生諧振，而整個電路仍工作於PWM的方波模式。該CF-ZVERS開關由主開關Sm(帶反向二極體D1)、輔開關Sc(帶反向二極體D2)、諧振電容Cr、諧振電感Lr和限幅電容Cc組成，其結構如圖2所示，其中，開關Sm、Sc一般為VDMOS器件;D1、D2為VDMOS器件的寄生二極體或外接二極體與VDMOS器件的寄生二極體並聯;Cr為VDMOS器件寄生電容或外接電容與VDMOS器件寄生電容並聯;Lr為開關感性負載漏感或外接電感與開關感性負載漏感串聯;Cc足夠大以至其電壓基本保持恆定。該恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)為三端網絡，其主開關Sm(帶反向二極體D1)與諧振電容Cr並聯後一端為(2)端，另一端與輔開關Sc(帶反向二極體D2)的一端相連後再與諧振電感Lr相連後為(1)端，輔開關Sc的另一端與限幅電容Cc相連後為(3)端，(3)端接恆定電壓，用(1)、(2)端替代經典開關功率變換器功率開關即可實現升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器。
下面以升壓式CF-ZVERS變換器圖4為例，說明CF-ZVERS變換器工作原理。開關驅動波形時序見圖3。在0時刻，Sc處於截止，Sm斷開，Vr線性升至Vo，Df導通，此時，Sm和Sc均截止，Lr與Cr發生諧振直至t1時刻;Vr達到Vc，D2自然導通，在D2上電流反向之前，Sc零電壓導通(不失一般性，圖4中假設Sc與D2同時導通)，Vr限幅在Vc，Lr被反向充電直到Sc斷開(在此區間，Ir電流反向，D2自然斷開);在t2時刻，Sc斷開，Lr、Cr再次諧振，迫使Vr下降為O;t3時刻，D1自然導通，然後Sm導通(不失一般性，圖4中假設Sm與D1同時導通)，Ir被Vo線性充電直至達到Im，D4截止，當ts時刻，Sm關斷，電路進入下一周期。
由上述分析看出，開關Sm和Sc均為零電壓導通及截止，且均工作在低電壓的無尖峰方波模式，其耐壓僅為ZVS準諧振變換器功率開關的2/5～3/5。由於Sc可在D2導通到其電流反向之前任意一點導通，在保證Sc零電壓導通的前提下，從Sm截止到Sc導通的時間差完全能夠選擇為一個恆量。同理，從Sc截止到Sm導通的時間差也可以設計成恆量。因此，Sm和Sc的驅動脈衝的前後沿同步變化，在固定開關頻率的條件下通過改變其佔空比而達到調節輸出的目的。
採用本發明所述的CF-ZVERS變換器具有如下優點(1)由於主、輔開關工作於低電壓的無尖峰方波模式，故可選用通態電阻小的低耐壓VDMOS器件，這樣，一方面可提高變換效率，另一方面也可降低產品成本;(2)主、輔開關均為零電壓開關，消除了與頻率成正比的交叉損耗功率，故適應高頻小型化功率變換的要求，開關頻率可達1MHz以上;(3)採用恆頻PWM控制技術減輕了濾波負擔，使濾波元件易於設計;(4)由於限幅支路在限幅的同時，還起到磁芯復位的作用，使變換器工作佔空比可大於50%，故其具有很寬的穩壓範圍;(5)由於諧振上下沿可設計得比開關周期小得多，在滿足零電壓開關條件下，開關感性負載漏感大小對變換器工作特性影響甚微，故電路簡單易於批量生產。
附圖及


圖1零電壓轉移開關(ZVT-PWM)降壓式變換器原理中S主開關;S1輔開關;Vg輸入直流電源;Lr諧振電感;Cr、Cj;諧振電容;Lf傳能電感;Df續流二極體;Co輸出濾波電容;R負載電阻。
圖2本發明所述恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)原理中Sm主開關;Sc輔開關;D1、D2反向二極體;Cr諧振電容;Cc限幅電容;Lr諧振電感。
圖3圖2中Sm、Sc的驅動波形時序中t1、t3-t1及t3為恆定值。
圖4升壓式恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)變換器原理中Sm為VDMOS主開關(帶反向二極體D1)Sc為VDMOS輔開關(帶反向二極體D2)Cr諧振電容;Lr諧振電感;Cc限幅電容;Vg輸入直流電源;Vc限幅電壓;Vo輸出電壓;Lm傳能電感;Co輸出濾波電容;R負載電阻;Df續流二極體。
圖5單端反激式恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器原理中Vg輸入電壓;Vo輸出電壓;T隔離變壓器(磁芯材料H7C4);Sm主開關、Sc輔開關均為IRF530 VDMOS管;D1、D2為IRE530 VDMOS管的寄生二極體;Df為B1545續流二極體;Cr諧振電容為IRF530 VDMOS管的結電容;Cc、Co均為獨石電容;R負載電阻;1為閉環控制迴路。
下面以圖5所示的單端反激式恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)變換器作為實例，進一步說明本發明，其Sm、Sc均為IRF530 VDMOS管，D1、D2均為它的寄生二極體，Cr為它的結電容、Cc和Co分別為1u和3u的獨石電容，R為2.9Ω，隔離變壓器T磁芯材料為H7C4，Lr為變壓器漏感，輸出電壓為12V，其虛線內1為閉環控制電路，它由隔離電路、誤差放大器、PWM、二路移相及驅動電路構成，它的輸出理想電壓波形如圖3所示。當輸入電壓選為24V～60V，其佔空比從62%～32%變化，當Vg＝36V時變換效率為87.9%。表1例出了本實例與相應的ZVS準諧振變換器開關電壓峰值的比較，從表中看出，本實例的諧振電壓峰值要小得多，僅為它的1/2左右。

權利要求
1.一種恆頻零電壓邊沿諧振開關變換器由輸入直流電源Vg、傳能電感Lm、續流二極體Df、功率開關、輸出濾波器及負載組成，其特徵在於(1)功率開關是由主開關和輔開關複合組成的三端網絡，其主開關Sm(帶反向二極體D1)與諧振電容Cr並聯後一端為(2)端，另一端與輔開關Sc(帶反向二極體D2)的一端相連後再與諧振電感Lr相連後為(1)端，輔開關Sc的另一端與限幅電容Cc相連後為(3)端，(3)端接恆定電壓，用(1)、(2)端替代經典開關功率變換器的功率開關，即可實現升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式恆頻零電壓邊沿諧振開關功率變換器；(2)主、輔開關Sm、Sc均為零電壓開關，工作在低電壓無尖峰方波模式，採用恆頻同步脈寬調製控制方式。
全文摘要
本發明提出了一種恆頻零電壓邊沿諧振開關(CF-ZVERS)變換器，由輸入直流電源、傳能電感、續流二極體、CF-ZVERS、輸出濾波器及負載組成。其中CF-ZVERS是由主開關和輔開關複合組成的三端網絡，用該開關替代經典開關功率變換器中的功率開關即可組成升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式CF-ZVERS變換器。本發明採用恆頻PWM控制方式，其主、輔開關均為零電壓開關。
文檔編號H02M3/28GK1099915SQ9311195
公開日1995年3月8日 申請日期1993年8月31日 優先權日1993年8月31日
發明者胡志安, 程仁傑 申請人:電子科技大學