第6章谐振开关电路-

第6章谐振开关电路6.1开关模式变换与谐振开关模式电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产牛开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。加入缓冲电路后减少了器件的开关损耗。但实际上，总的损耗并没有降低，只是器件的部分损耗转移到缓冲电路中了。不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。图给出了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。目前数兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸30-50W，效率大于80％。6.2谐振开关变换器的分类根据拓扑结构和谐振开关方法将谐振变换器划分为如下几种变换器模式。1.负载谐振变换器谐振电路既可采用串联L-C谐振电路，也可采用并联L-C谐振电路。通过L-C的谐振，使变换器的开关在零电压与/或零电流时通断。通过控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。2.准谐振开关变换器L-C谐振能够提供给变换器上的电力电子器件合适的开关电压与电流波形，使器件在零电压与／或零电流下通断。准谐振式变换器主要分为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器3.零开关PWM变换器零开关PWM变换器在准谐振变换器上加入一个辅助开关管控制谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压开通或零电流关断。由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。4.谐振直流环逆变器在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud是一个幅值固定的直流电。在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之间加入谐振电路，利用L-C谐振使逆变器的输入电压围绕Ud形成振荡，使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在这段时间内控制电力电子器件通断的状态，从而实现了零电压通断。6.3准谐振开关变换器零电流开关准谐振Buck变换器(ZCS-QRC)有L型和M型2种，在L型准谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图(a)所示；若开关器件允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”，其电路如图(b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容Cr与二极管VD并联，而谐振电感Lr与开关管串联。6.3.1零电流开关准谐振变换器在T0时刻以前，开关管VT处于关断状态，输出滤波电感L与二极管VD构成续流通道，流过负载电流Io。谐振电感Lr中的电流为0，谐振电容Cr电压也为0。1.电感充电阶段[T0，T1]在t＝T0时刻，开关管VT开通，VT上的电压迅速下降到零后，谐振电感中的电流开始按直线上升，直到t=T1。等值电路如图(c)所示。2.谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时，谐振电感Lr中的电流iLr＝Io，二极管VD在零电压下关断。Lr和Cr进入谐振状态，Lr中的电流iLr继续增加，谐振电容Cr的充电电流是(iLr-Io)。当Lr电流下降到iLrIo时，Cr放电，放电电流逐渐增大，而iLr仍逐渐减少。等值电路如图(d)所示。3.电容放电阶段[T2，T3]对于半波工作模式，在t＝T2时，iLr＝0，开关管VT自然关断，这时谐振电容Cr通过负载放电，并维持放电电流为Io，因此Cr上的电压线性下降。在t＝T3之后，电容电压下降到零。等值电路如图(e)所示。4.续流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，谐振电容Cr上的电压下降到零，续流二极管VD在零电压下导通，负载电流Io通过二极管VD续流。等值电路如图(f)所示。L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图所示。在ZCS中，要求开关通过一个比负载电流Io大Ud/Zr的峰值电流。开关在零电流时自然关断，负载电流Io不应超过Ud/Zr。所以这里有一个限制，即负载电阻可以低到什么程度的问题。通过与开关反并联一个二极管，可使输出电压对于负裁变化不再那么敏感。ZCSQRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。在开关管VT断开状态谐振电感Lr电流为零。在开关管导通时，电流逐渐上升，实现零电流导通；电容Cr、电感Lr、开关管VT和电源谐振，电感电流iLr按正弦变化，当iLr谐振到由零变负时，二极管VDr导通，开关管VT断流，具有零电流关断条件，去除开关管VT驱动信号，VT在零电流下关断。零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2种电路。若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波模式，其电路如图(a)所示；若开关器件能承受双向电压，则ZVS-QRC工作于全波模式，其电路如图(b)所示。在ZVS-QRC中，谐振电容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。6.3.2零电压开关准谐振变换器在T0时刻以前，开关管VT处于导通状态，VD已关断，滤波电感L与谐振电感Lr流过负载电流Io，谐振电容Cr电压也为0。1.电容充电阶段[T0，T1]若在t＝T0时刻，使开关管VT断开，以电流Io向谐振电容Cr充电，因此，Cr上电压按直线规律上升，直到uCr＝Ud为止。等值电路如图(c)所示。2.谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时刻，VD管导通，这时Lr和Cr进入谐振状态。对于半波工作模式，在t＝T2时刻,uCr电压被箝位于零。对于全波工作模式，电容上电压继续朝反向振荡，并在t＝T2时刻反向回零。在这期间的电感电流iLr下降到零后反向。等值电路如图(d)所示。3.电感充电阶段[T2，T3]在t＝T2之后，电感电流直线上升，并在t＝T3时刻达到Io。通常，对于半波工作模式，开关管在T2之后和电感电流iLr变正之前这段期间被激励导通，否则将损失零电压关断条件。对于全波工作模式，开关管VT可在uCr电压为负期间加上激励信号。等值电路如图(e)所示。4.恒流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维持到t＝T4时刻。等值电路如图(f)所示。在ZVS中，要求开关承受一个比Ud高IoZr的正向电压。开关在零电压开通时，负载电流Io必须大于Ud／Zr，所以，如果输出负载电流Io在一个很大的范围内变动，则上述两种情况会在开关上产生一个很大的电压值。所以，这个方法限于应用在基本上是恒定的负载上。为克服这一限制，在有关参考文献中介绍了一种零电压通断的多谐振技术。ZVSQRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。在开关管VT导通期间电感L储能，和开关管并联的谐振电容电压为零。在开关管关断时，由于两端电压为零，实现零电压关断；VT关断后，电容Cr以电感电流iL充电，电容电压上升，当uCr大于输出电压Uo时，二极管VD导通，电容Cr和电感Lr开始谐振，电容两端电压按正弦变化，当uCr谐振到零时，开关管VT具有零电压开通条件，驱动开关管VT，VT在零电压下导通。通常，在高通断频率时，ZVS比ZCS更可取，原因在于开关的内部电容。当开关在零电流但在一定电压下闭合时，内部电容上的电荷耗散在开关中。当通断频率很高时，这种损耗变得很大。但是，如果开关是在零电压时闭合就不存在这种损耗。从上述的电路分析可知，开关准谐振变换器可以有效地降低器件的开关损耗，使得ZCS-QRC的实际工作频率达到1-2MHz，ZVS-QRC的实际工作频率达到10MHz，但器件的电压或电流应力都比较大，这是一个缺点，也是应用中一个重要的限制因素，值得进一步研究。当谐振电感和谐振电容一定时，为保证开关管实现软开关模式，ZVS开关准谐振变换器关断时间一定，ZCS开关准谐振变换器导通时间一定，因此要实现改变占空比D，就需要改变开关周期，也就是改变开关频率，因此不适于工作在PWM方式，而要工作在DC-DC变换器中的第2种调制方式，即脉冲频率调制方式。6.4零开关PWM变换器零开关PWM变换器包括零电压开关PWM变换器(ZVSPWM)与零电流开关PWM变换器(ZCSPWM)。这类变换器在前面介绍的准谐振变换器基础上加入一个辅助开关管控制谐振元件的谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压开通或零电流关断。由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。6.4.1ZVSPWM变换器由输入电源Ud、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VDr)、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C、负载电阻RL、谐振电感Lr、谐振电容Cr和辅助开关管VT1(包括与其串联的二极管VD1)构成。从图可知，ZVSPWM变换器是在ZVSQRC电路的谐振电感Lr上并联了一个辅助开关管VT1和VD1。降压ZVSPWM变换器的原理图。若tT0时，主开关管VT导通，给辅助开关管VT1驱动信号。续流二极管VD截止，iLr=IL=Io，uCr=0。在一个开关周期Ts中，分5个阶段来分析电路的工作过程。等效电路如图(b)所示。T0tT1阶段：t=T0时，uCr=0，关断VT，VT零电压关断，电流iLr立即从VT转移到谐振电容Cr，给Cr充电。由于iLr=IL=Io恒定，uCrUd时，续流二极管VD仍处于反偏截止，直到t=T1，Cr充电到uCr=Ud，续流二极管VD导通。等效电路如图(c)所示T1tT2阶段：由于续流二极管VD导通，谐振电感的电流iLr经VT1、VD1续流，该阶段时间可以通过改变辅助开关VT1的关断时刻T2控制，因此可以控制谐振开始时刻，也就是可以控制VT导通时间，因此可以控制占空比，实施PWM控制的。等效电路如图(d)所示。T2tT3阶段：在t=T2时，使辅助开关管VT1关断，Cr、Lr产生谐振。在VT1关断前，由于uCr=Ud，所以谐振电感上的电压很小，VT1为零电压关断。在谐振期间，uCr到达最大值，uCr=Ud+IoZr，此后电容Cr放电，uCr下降，到t=T3时，uCr=0。从uCr到达最大值至T3期间，iLr为负值。等效电路如图(e)所示。T3tT4阶段：负电流iLr经二极管VD、VDr向电源Ud回馈能量。由于导通的VDr与主开关管VT并联，在此期间使VT导通，则VT将在零电压下开通。VT开通后，负电流iLr迅速反向经零增大，到t=T4时，iLr=Io。续流二极管VD的电流iD=Io-iLr，从Io减小到零而自然关断。等效电路如图(f)、(g)所示。T4tT5阶段：t=T4时，主开关管VT已经导通，VD截止，电源Ud向负载恒流供电。在t=T5时，使VT关断。因为VT关断时，uT1=uCr很小，所以VT也是软关断，完成一个开关周期TS。等效电路如图(b)所示。ZVSPWM变换器的工作波形6.4.2ZCSPWM变换器由输入电源Ud、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VDr)、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C、负载电阻RL、谐振电感Lr、谐振电容Cr和辅助开关管VT1(包括与其并联的二极管VD1)构成。从图可知，ZCSPWM变换器是在ZCSQRC电路的谐振电容Cr上串联了一个辅助开关管VT1和VD1。tT0时，主开关管VT和辅助开关管VT1都截止，续流二极管VD导通，iD=Io，谐振电容Cr上的电压uCr=0。等效电路如图(b)所示。T0tT1阶段：t=T0时，使VT导通，iT1=iLr线性上升至Io。iD=iL-Io，下降到零，t=T1时，VD截止。在VT导通时，由于串谐振电感，电流为零，谐振电感Lr上的电压uLr=Ud，则VT为软开通。等效电路如(c)所示