一種新型的有源軟開關(guān)變換器

褚恩輝， 葉樹仁， 王遨宇

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)市 110004)

一種新型的有源軟開關(guān)變換器

褚恩輝， 葉樹仁， 王遨宇

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)市 110004)

為實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效，高頻，低的電壓應(yīng)力，簡(jiǎn)于控制的軟開關(guān)升壓變換器，提出一種有源輔助諧振換流新型軟開關(guān)變換器，即通過(guò)采用簡(jiǎn)單的有源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了主、輔開關(guān)管的軟開關(guān)，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開通、零電壓關(guān)斷，開關(guān)管電流電壓應(yīng)力小，輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷、零電流開通，特別適用于以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關(guān)器件的高電壓大功率場(chǎng)合。本文以其在Boost變換器的應(yīng)用為例，分析了他的工作原理，軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件，給出了諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，該軟開關(guān)設(shè)計(jì)思想可以推廣到其他基本的DC-DC變換器中。制作了一個(gè)使用IGBT的3kW－16kHz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該變換器的有效性。

輔助諧振換流;有源DC-DC變換器;軟開關(guān)

0 引言

硬開關(guān)PWM變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單、工作頻率恒定以及輸出調(diào)節(jié)特性好而得到廣泛應(yīng)用。在高電壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)損耗大，并且電壓尖鋒和電流浪涌帶來(lái)的電磁干擾可能影響變換器的正常工作。為了有效地解決這些問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出了很多軟開關(guān)技術(shù)［1－8］，如諧振開關(guān)技術(shù)、零開關(guān)技術(shù)和零轉(zhuǎn)移技術(shù)等。其中零轉(zhuǎn)移變換器由于采用有源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［9－14］，利用輔助開關(guān)控制諧振元件的諧振過(guò)程，在保持PWM斬波電路優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，減少了開關(guān)損耗，成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盡管目前出現(xiàn)了許多新型斬波電路拓?fù)?，但仍存在一些不足，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜、開關(guān)管電壓電流應(yīng)力大、輔助管不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、存在較大環(huán)流等。文獻(xiàn)［15］雖可以解決上述問(wèn)題，但回路需要增加3個(gè)輔助開關(guān)管和一個(gè)互感器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不易于控制，對(duì)變換效率提高和小型化不利。

本文提出一種新型的有源軟開關(guān)變換器，它通過(guò)采用簡(jiǎn)單的有源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了主、輔開關(guān)管的軟開關(guān)，開關(guān)管的電流電壓應(yīng)力小。這一新的諧振網(wǎng)絡(luò)僅增加了一個(gè)輔助開關(guān)管，使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于控制。本文對(duì)新的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

1 電路拓?fù)渑c工作原理

1.1回路結(jié)構(gòu)

新型有源輔助諧振變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。S1、D1、Lm和Co分別為回路的主開關(guān)管、輸出整流二極管、輸入濾波電感和輸出濾波電容，DS1是主開關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管。有源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)由輔助開關(guān)管S2，諧振電感Lr、諧振電容CS、諧振電容Cr和二極管D2組成，DS1是輔助開關(guān)管S2的反并聯(lián)二極管。

1.2 基本工作原理

圖2和圖3分別給出了變換器工作時(shí)的主要波形和模式圖。圖中 vg－S1、vg－S2分別為主開關(guān)管 S1和輔助開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)波形。

為簡(jiǎn)化分析，做如下假設(shè):1)電路中所有器件都是理想的，輸入濾波電感Lm足夠大，用恒流源ILm代替。2)輸出濾波電容Co足夠大，用恒壓源Vo代替。設(shè)t=t0以前，主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2關(guān)斷，諧振電容CS的電壓為輸出電壓Vo，諧振電容Cr的電壓為零。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有9種運(yùn)行模式，如圖3所示。

①模式1:［t0～t1］如圖3(a)所示。在t0時(shí)刻，輔助管S2開通，Lr和Cr發(fā)生諧振，流過(guò)輸出整流二極管D1的電流iD1開始向Lr換流，在Lr的作用下，S2為ZCS開通。Lr的電流iLr從零開始上升，D1的電流從ILm開始減小.當(dāng)D1的電流減小到零時(shí)，自然地ZCS關(guān)斷。在這一模式中有

②模式2:［t1～t2］如圖3(b)所示。t1時(shí)刻，iD1=0，整流二極管D1零電流關(guān)斷，Lr與CS、Cr發(fā)生諧振，CS的電壓逐漸降低，Cr的電壓VCr繼續(xù)上升，在這一模式中有:

圖3 變換器模式圖Fig.3 Topological states of converter

模式2的工作時(shí)間t12可由式(9)確定，由于式(9)為一求t12的超越方程，可通過(guò)數(shù)值解析來(lái)確定。

③模式3:［t2～t3］如圖3(c)所示。t2時(shí)刻，VCs=0，DS1自然導(dǎo)通，Lr與 Cr發(fā)生諧振，Cr的電壓VCr繼續(xù)上升，當(dāng) iLr諧振下降 ILm時(shí)，這個(gè)時(shí)間段結(jié)束。在DS1自然導(dǎo)通期間的任何時(shí)刻開通主開關(guān)管S1均可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1零電壓零電流開通。在這一模式中有

⑤模式5:［t4～t5］如圖3(e)所示。t4時(shí)刻，當(dāng)iLr諧振下降到零時(shí)，即流過(guò)主開關(guān)管S1的電流大于ILm時(shí)，輔助開關(guān)管的反并聯(lián)二極管DS2導(dǎo)通，Lr與Cr發(fā)生反向諧振，iLr從零諧振到負(fù)的最大值再回到零，VCr由VCrmax變?yōu)椋璙Crmax。在DS2導(dǎo)通期間的任何時(shí)刻關(guān)斷輔助開關(guān)管S2均可實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管S2零電壓零電流關(guān)斷。模式5的工作時(shí)間t45為

⑥模式6:［t5～t6］如圖3(f)所示。t5時(shí)刻，當(dāng)反向諧振電流iLr為零時(shí)，DS2零電流關(guān)斷，主開關(guān)管S1的電流為濾波電感Lm的電流ILm，Cr的電壓VCr保持－VCrmax不變，電路恢復(fù)到傳統(tǒng)的 PWM工作狀態(tài)

⑦模式7:［t6～t7］如圖3(g)所示。t6時(shí)刻，主開關(guān)管S1關(guān)斷，CS的電壓VCs從零開始線性上升，S1為ZVS關(guān)斷。在這一模式中有

當(dāng)CS的電壓VCs=Vo－VCrmax時(shí)，這個(gè)時(shí)間段結(jié)束。模式7的工作時(shí)間t67為

⑧模式8:［t7～t8］如圖3(h)所示。t7時(shí)刻，VCs=Vo－ VCrmax，D2導(dǎo)通，Lm的電流 ILm通過(guò) Cr、D2流向負(fù)載，VCs繼續(xù)上升，Cr開始下降，在這一模式中有

當(dāng)CS的電壓VCS上升到輸出電壓Vo，即Cr的電壓VCr下降到零時(shí)，這個(gè)時(shí)間段結(jié)束。模式8的工作時(shí)間t78為

⑨模式9:［t8～t9］如圖3(i)所示。t8時(shí)刻，CS的電壓VCs下降到輸出電壓Vo時(shí)，即Cr的電壓VCr下降到零時(shí)，D2關(guān)斷，輸出整流二極管D1開通，電路又回到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。t9時(shí)刻，輔助開關(guān)管S2開通，電路又重復(fù)上一個(gè)周期的工作。

2 軟開關(guān)條件分析

2.1 主開關(guān)S1軟開關(guān)條件分析

要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1的零電壓零電流開通，關(guān)鍵在于模式1、模式2和模式3。模式1實(shí)現(xiàn)了輸出整流二極管D1的零電流軟關(guān)斷，而D1的關(guān)斷又為L(zhǎng)r與Cr、Cs的諧振創(chuàng)造了條件。在模式2，要實(shí)現(xiàn)S1零電壓零電流開通必須保證VC1在S1開通之前從Vo諧振到零并在DS1導(dǎo)通模式3期間接通S1，需要滿足以下條件，即

式中:tS1on為輔助開關(guān)管S2開通時(shí)刻到主開關(guān)管S1開通時(shí)刻的延遲時(shí)間。

要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1的ZVS關(guān)斷需要滿足下面條件，即

式中:tS1off為輔助開關(guān)管S2開通時(shí)刻到主開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)刻的延遲時(shí)間。

2.2 輔助開關(guān)管S2的軟開關(guān)條件分析

要實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管S2的零電壓零電流關(guān)斷，必須在S2的反并聯(lián)二極管DS2導(dǎo)通期間關(guān)斷S2，即需要滿足下面條件，即

式中:tS2off為輔助開關(guān)管S2脈沖寬度。

要實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管S2的零電流開通，關(guān)鍵在于模式7和模式8，需滿足下面條件，即

式中:tS2on為主開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)刻到輔助開關(guān)管S2開通時(shí)刻的延遲時(shí)間。

3 有源諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，輸入電壓VS=200 V，輸出電壓Vo=400 V，輸出最大容量Pmax=3 kW，輸出容量范圍Po=0.78 kW～3 kW，輸入濾波電感Lm=(1.024 μH，0.4 Ω)，輸出側(cè)平滑電容 Co=8 200 μF。

圖4為利用上述參數(shù)，在輸出容量Po=3 kW時(shí)的硬開關(guān)電路的輸入濾波電感ILm電流的仿真波形。從圖中可知ILm電流的最大值ILm－max=16.7 A，ILm電流的最小值ILm－min=11.7 A，占空比D=0.48。

1)諧振電容CS

2)諧振電感Lr和主諧振電容Cr

輔助開關(guān)S2零電流開通后，有源輔助諧振回路開始工作(模式1～模式5)。在確定Lr和Cr時(shí)要綜合考慮以下7點(diǎn):①輔助回路的全部工作時(shí)間(模式1～模式5的工作時(shí)間);②輔助開關(guān)管S2開通時(shí)的di/dt(模式1);③主開關(guān)管S1開通時(shí)的dV/dt(模式2);④二極管D2的最大電壓(諧振電壓+輸出電壓);⑤諧振電感電流iLr的最大值;⑥諧振電感電流iLr的最小值;⑦二極管D2的殘存電壓(模式6)。

圖4 輸出容量3 kW時(shí)的ILm電流波形Fig.4 Lmcurrent waveforms under Po=3 kW

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及特性評(píng)價(jià)

基于上述電路拓?fù)浜头治?，制作了一臺(tái)16 kHz、3 kW IGBT原理樣機(jī)。輸入電壓VS=200 V，輸出電壓Vo=380 V，輸出容量范圍Po=1～3 kW，開關(guān)管S1、輔助開關(guān)管S2采用三菱CM75DU－24H模塊，輸出D1采用高效率高速整流二極管(東芝30JL2C41)，D2采用高耐壓超高速軟恢復(fù)二極管(日立DFM30F12)，輸入濾波電感Lm=1.024 mH，諧振電感Lr=7.6 μH(日本IPEC HD3729－0808R)，諧振電容Cr=121 nF(日本指月電機(jī)MIC－ST)，諧振緩沖電容CS=33 nF(日本Nichicon XD)，輸出平滑電容 Co=8 200 μF(電解電容)。

4.1 開關(guān)管和二極管的波形評(píng)價(jià)

圖5(a)、(b)、(c)分別是在輸出容量3kW時(shí)，主開關(guān)管S1、輔助開關(guān)管S2和輸出整流二極管D1開通、關(guān)斷時(shí)的電壓與電流的實(shí)驗(yàn)波形。從波形中可以看到主開關(guān)管和輸出整流二極管沒(méi)有電壓和電流尖峰，并且di/dt，dV/dt小，減小了開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，S1為零電壓零電流開通、零電壓關(guān)斷，S2為零電壓零電流關(guān)斷、零電流開通，Do為ZVS開通、ZCS關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面的關(guān)斷時(shí)刻t6，若S1關(guān)斷時(shí)的的理論分析結(jié)果相一致。

圖5 輸出容量Po=3 kW時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms under Po=3 kW

從圖5(c)可知，輔助開關(guān)管S2關(guān)斷時(shí)，其電壓發(fā)生高頻震蕩現(xiàn)象，為了抑制S2關(guān)斷時(shí)電壓高頻震蕩現(xiàn)象，在原回路中插入箝位二極管DC，如圖6所示。當(dāng)S2的電壓高于輸出電壓380 V時(shí)，箝位二極管DC開通，可有效地抑制S2關(guān)斷時(shí)的震蕩峰值電壓。圖7為插入箝位二極管DC后的S2開通與關(guān)斷時(shí)的電壓、電流波形。比較圖5(c)和圖7可知，沒(méi)有插入箝位二極管DC時(shí)的S2峰值電壓可達(dá)900 V高電壓，相反插入箝位二極管DC時(shí)的S2峰值電壓被抑制在輸出電壓380 V，可有效地抑制輔助開關(guān)管開S2關(guān)斷時(shí)的電力損失。

圖6 帶箝位二極管DC的新型有源輔助諧振變換器Fig.6 New Active Assisted Resonant Converter with insertion clamping diode DC

圖7 帶箝位二極管DC時(shí)的S2開通、關(guān)斷時(shí)的波形Fig.7 Switch S2waveforms and state plane when insertion clamping diode DC

4.2 效率特性評(píng)價(jià)

圖9給出了相對(duì)于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出容量Po的帶箝位二極管、不帶帶箝位二極管的軟開關(guān)變換器和硬開關(guān)變換器(開關(guān)管S1的漏源加RC吸收)的綜合實(shí)測(cè)效率特性曲線圖?？梢钥闯鲈诤軐挼妮敵鲐?fù)載范圍內(nèi)，本軟開關(guān)變換器可獲得較高的效率，并且?guī)槲欢O管的變換效率較高，在額定輸出容量(3 kW)時(shí)的效率為97.8%。該變換器在高輸出容量范圍內(nèi)具有很高的電力變換效率特性。

圖8 效率曲線Fig.8 The curve of efficiency

5 結(jié)論

本文構(gòu)造了一種新型有源輔助諧振換流軟開關(guān)變換器電路拓?fù)?，詳?xì)分析了該變換器的工作原理，給出了軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件和諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)理論分析和在3 kW原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:1)通過(guò)采用簡(jiǎn)單的有源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)，消除了電壓和電流交疊現(xiàn)象、降低了開關(guān)損耗;2)di/dt，dV/dt小，減小了開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，同時(shí)也解決了硬開關(guān)PWM變換器引起的EMI問(wèn)題、輸出整流二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題;3)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)，零電流、零電壓開關(guān)條件均可以得到保證;4)在3 kW原理樣機(jī)上得到97.8%的實(shí)測(cè)高效率。該電路適宜大中功率的軟開關(guān)變換器。

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LIN Guoqing.A novel zero-voltage and zero-current transition DC-DC converters［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27(22):106－109.

(編輯:于智龍)

A novel active soft switching converter

CHU En-hui， YE Shu-ren， WANG Ao-yu
(College of Information Science＆ Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

In order to realize a simple topology，high efficiency and frequency，low voltage stress，easily controlled soft switching boost converter，a novel soft switching converter with active assisted resonant commutation is presented in the paper.Soft switching of the main switch and auxiliary switching can be achieved by using active assisted resonant network.The proposed converter has such advantages as zero-voltage and zero-current turn-on and zero-voltage turn-off for the main switch without increasing voltage and current stress，zero-voltage and zero-current turn-off and zero-current turn-on for auxiliary switching.It is very attractive for high power application where insulated gate bipolar transistor(IGBT)is predominantly used as the power switch.Its operation principle was analyzed through its application to the boost converter.The condition of soft switching and the design considerations were analyzed in detail.The novel soft switching cell can be also used in other basic DC-DC converter.A 3kW-16kHz prototype which used IGBT was made.The effectiveness of the proposed converter is confirmed by the simulation and experimental results.

assisted resonant commutation;active DC-DC converter;soft switching

TM 464

A

1007－449X(2011)05－0072－06

2009－05－05

教育部歸國(guó)留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(N100404015);國(guó)家自然科學(xué)基金(60974141)

褚恩輝(1966—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)電力電子及應(yīng)用，高頻軟開關(guān)電力變換系統(tǒng)及控制方式，先進(jìn)電機(jī)控制方式;

葉樹仁(1983—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐涢_關(guān)功率變換器拓?fù)?

王遨宇(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐涢_關(guān)功率變換器拓?fù)洹?/p>