新型ZVS型Buck的ZVS-QRC的设计

图XXX表示需要实际仿真后需要替换的项目，放在在这里仅仅为了做例子公式表示未经过仿真所计算的电路数据，仿真时可根据需要自行修改数据1、引言为减小DC／DC变换器尺寸和损耗，必须提高变换器开关频率，而开关频率的提高会直接提高开关损耗．引入软开关技术可解决这个矛盾.这里主要研究Buck变换器的软开关电路，并通过仿真寻找软开关实现的条件。课本提出一些软开关技术。但均存在不足。这里提出一种改进ZVSQRCBuck变换器。可有效降低器件电压应力。为适应谐振过程还需设置一定死区。2、ZVS型Buck准谐振电路2.1、电路结构图1为ZVS-Buck-QRC电路结构。图1ZVS-Buck-QRC电路结构inU为直流输入电源；开关管1V、续流二极管VD、输出滤电感fL、输出滤波电容fC和负载R构成基本Buck电路；反并联二极管1VD、谐振电容rC和谐振电感rL，用来实现软开关。简单来说，当1V为关断状态时，rC、rL串联谐振，使1V实现ZVS开通；当1V为开通状态即将关断时，并联电容rC可有效抑制1V两端电压上升速度，降低关断损耗，抑制电压尖峰。2.2软开关工作条件1V工作在ZVS开通状态，则必须在rC两端电压Cru已为零而rL上电流Lri还未衰减到零的时段内向1V发送开通信号。1V从上个周期关断到这个周期开通的时间间隔（即关断时间）可表示为：)1(DTTgoff（1）式中：D为V1门级脉冲的占空比。谐振周期rrrLCT2。即要实现1V的ZVS开启，需满足：roffrTTT2（2）2.3、电路参数设计inU为2.9~3.1V，额定3V；输出直流电压0U为0.4~0.45V；额定功率0P=280W；开关频率gf=500kHz。为减小输出电流、电压纹波，选取fL=400H，fC=500H。rgff通常取0.15~0.65即可，为计算方便，取rgff=0.2。则谐振角频率为：grrrffCL1021=1.57x107rad·s-1（3）谐振时rL和rC储能相等，即2222CrrLrriCiL，由inCrUu2可得0002IUIUCLinrr=450。用此式除以式（3）可得rL=131.43H，仿真中取150H；rC=4.51nF，仿真中取4.6nF。2.4、仿真结果图2a为ZVS-Buck-QRC仿真结果。通过谐振作用降到零后导通，实现ZVS开通，与理论分析完全相符。图2b为ZVS-Buck-QRC与传统Buck电路效率曲线。可见，ZVS-Buck-QRC较传统Buck变换器在低负载时效率平均提高约7%。图2a与2bZVS-Buck-QRC电路通过谐振实现了ZVS，但ZVS只能在一个特定时间段内实现，即D只能在特定范围内调节，ZVS状态下输入电压只能在小范围内连续调节，设计谐振参数时需预先知道电路大概工作的占空比范围，此外，在谐振过程中将会提升至数倍以上的，增加了开关器件的耐压要求，这两个缺点极大限制了此电路的实用性。3改进ZVS型Buck变换器3.1电路结构图3表示改进ZVS型Buck变换器电路。相比图1电路，改进ZVS型Buck变换器电路添加了辅助开关及其反并联二极管、电容。与互补开通。3.2电路工作流程分析为简化分析，作如下假设：①电路已工作稳态；②fC足够大。即一个开关周期gT内认为输出电压恒为0U；③rL与fL相比很小，rC与cC相比很小；④稳态工作时cC两端电压恒为CcU。电路进入稳态后，在一个gT内可分为8个状态。选取1V关断时刻为分析起始点模态0。模态1（0t~1t）0t时刻前1V导通，2V和VD关断，电源通过rL,fL向负载供电。0t时刻关断，rC、rL开始谐振，VD导通，fL两端承受反向输出电压，Lfi线性下降。fLfLUdtdi0,CcinCrUUu。由于Cru不能突变，Cru从零开始上升，上升至CcinUU时，rL两端电压Lru下降到-CcU，2VD导通。此时Cru被限制在CcinUU，模态1结束。模态2（1t~2t）1t时刻2VD导通，CcLrUu，Lri线性下降。直到2t时刻Lri下降到零。rCcLrLUdtdi,可得12ttLiUrLrCc，又由于0IiLr，代入上式可得120ttLIUrCc。由于Lri下降过程中2VD导通，故在模态2中某时刻向2V发送触发信号可使2V实现ZVS开通。LR和VD形成回路。模态3（2t~3t）2t时刻，Lri过零。由于在模态2中已向2V发送触发信号，2V在2t时刻正式导通，rL仍承受-CcU，Lri反向线性增大，rCcLrLUdtdi，到3t时刻Lri达到反向峰值minI。模态4（3t~4t）3t时刻2V关断，由于电感电流不能突变，Lri通过rC，即rC、rL开始谐振。这时，只要死区足够大，且rL中储存的能量大于rC中储存的能量，即2222minCrrruCIL，Cru就可以降到零。设4t时刻rC中储存的能量完全释放，Cru降到零。模态5（4t~5t）4t时刻Cru降到零，由于2222minCrrruCIL可知此时电感电流还没有过零，由于电感电流不能突变，1VD导通，1V两端电压1Vu仅为1VD的导通压降，在此模态内向1V发送开通信号可实现ZVS开通。Lru恒为inU，Lri线性下降，rinLrLUdtdi。5t时刻Lri可继续正向增大。模态6（5t~6t）5t时刻，1V导通，Lri线性上升，6t时刻Lri=Lfi，VD关断。模态7（6t~7t）电源通过rL、fL向R供电，Lri线性上升，frinLrLLUUdtdi0。直到7t时刻1V关断，开始一个新周期。在模态5中，虽然1V有触发脉冲，但由于Lri仍为负值，1V不能立刻导通，要等到Lri过零后才能实现DLri到1V的换流。即1V实际的导通时刻与触发脉冲发送时刻不同，存在一个占空比损失的现象。由上述分析可得电路在一个周期的工作波形如图4所示。由式（2）与模态1可知死区时间大于rT的一半，即2rDTT。图4流程分析图若希望1V工作在ZVS开通状态，则必须在Cru已为零而Lri还未衰减到零的时段内向1V发送开通信号。同时。由于存在占空比损失，故实际占空比应该大于理论占空比，即0UUDin。4仿真及实验4.1电路参数设计及谐振回路参数选择inU=3V，0U=0.425V，0P=30W，开关频率gf=500kHz。1V承受电压应力不高于900V。fL=400H,fC=500F。负载电流0I0.227A（80%0P）。inUUD00.14。为尽量提高D可调范围，死区不能太宽，sDTT%7；由2rDTT可得rT1.4s，r=4.49x106rad·s-1.由2222minCrrruCIL可得rrCrCILu2min；由CcinCcUUu可知，为控制1V电压应力不超过900V，CcU=1.14V；同时120ttLIUrCc可知CcU与rLI0成正比，将CcU=1.14V，0I=0.227A带入可得rL22H.代入rrrLC1可得rC2.25F（实际计算值为0.00225F，仿真者请慎重仿真）。4.2仿真结果图5a与5b图5为提出变换器仿真与负载电流波形。由图5a可见，1Vu被成功限制在900V以下。2V关断后通过谐振作用下降到零，1V实现ZVS开通。此外，死区设计很关键，倘若死区太小rC没有完全放电，不能实现ZVS开通；死区过大，Lri过零，rC重新充电，也无法实现ZVS。由于使用了软开关技术，gf可取很高，这里开关频率gf=500kHz，图5b为0I波形。很明显由于提高，输出电流波纹明显降低。这样，在同样波纹要求下，fL和fC取值可以很小，有效降低了装置的整体体积。5结论设计提出的一种改进型ZVS型Buck电路，仿真及实验证明该电路降低了器件电压要求，而且带载效果良好，有效降低了滤波器要求。参考文献【l】陈刚．软开关双向DC／DC变换器的研究[D】．杭州：浙江大学．2001．【2】胡平，谢顺依，杨迎化，等．新型ZVS全桥DC／DC变换器[J】．电力自动化设备，2010，30(2)：103—105．【3】杨德刚，赵良炳．软开关技术回顾与展望【J】．电力电子技术，1998，32(2)：96—101．【4】CMudioMCDuarte，VitorMauroFiori．ANewZVS—PWMActive-clampingBuck-BoostConverter[A]．PowerElectronicsSpecialistsConference[C]．2005：1429—1433．【5】秦岭，谢少军，周晖．一种新型ZCS．PWMBuck变换器研究【J】．电力电子技术，2007，41(2)：13—15．【6】Chien—mingWang，Ching—hungSu，Chien-YehHo，eta1．ANovelZVS··PWMSingle--phaseInverterUsingaVolt··ageClampZVSBoostDCLink[A]．In2007SecondIEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications[C]．2007：309-313