第4章DC／DC高频功率变换

1、现代电力电子学第4章DC/DC高频功率变换第4章DC/DC高频功率变换4.1软开关直流变换器4.2三电平DC/DC变换器4.3同步整流技术4.4交错并联技术4.5本章小结4.1软开关直流变换器4.1.1直流变换器软开关的分类4.1.2谐振变换器4.1.3LLC谐振变换器4.1.4PWM软开关变换器4.1.5移相控制全桥变换器4.1.1直流变换器软开关的分类1.硬开关的概念2.软开关的概念3.软开关的分类在直流变换器中，开关管工作在导通和截止两个状态，由于导通压降和漏电流很小，其导通损耗和截止损耗均近似为零，因此直流变换器比传统线性调节器(又称线性电源)的效率高。开关管从导通状态变为截止状态的过

2、程称为开通(Turn-on)，而开关管从截止状态变为导通状态的过程称为关断(Turn-off)。在分析直流变换器的工作原理时，通常假设开关管是理想器件，其开通和关断是瞬时完成的，也就是说，开通和关断时间为图4-1硬开关时开关管的电压和电流波形零。但实际上，开关管并不是理想器件，其开通和关断过程是需要时间的，如图4-1所示。1.硬开关的概念1.硬开关的概念图4-1硬开关时开关管的电压和电流波形1.硬开关的概念图4-2硬开关条件下的开关轨迹2.软开关的概念减小开关损耗的途径就是减小开关过程中电压与电流的交叠时间。可采取以下方法来减小开通损耗： 1)开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升

3、率，如图4-3a所示，从而减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通。2) 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通，如图4-3b所示，此时，开通损耗基本减小到零。3) 同时做到上述两点的情况下，开通损耗为零。2.软开关的概念可以采取以下几种方法： 1)在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是零电流关断。2)在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，如图4-3b所示，从而减小电流与电压的交叠区，这就是零电压关断。3) 同时做到上述两点的情况下，关断损耗为零。图4-3软开关时开关管的电压和电流波形a) 零电流开通b) 零电压开通2.软开关的概念图4-4软开关条件

4、下的开关轨迹2.软开关的概念3.软开关的分类1) 全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器(Resonant Converters)，其特点是负载一直谐振工作，参与能量变换的全过程，所以又称该类变换器为负载谐振型变换器。2) 准谐振变换器(Quasi Resonant Converters，QRCs)和多谐振变换器(Multi Resonant Converters，MRCs)。3) 零开关(Zero Switching)脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)变换器。4) 零转换(Zero Transition) PWM变换器。4.1.2谐振变换器1. 谐振变换器的电路拓

5、扑2. 谐振变换器的控制策略1. 谐振变换器的电路拓扑图4-5谐振变换器通用框图1. 谐振变换器的电路拓扑图4-6输入电压和开关单元的激励波形a) 电压源b) 电流源1. 谐振变换器的电路拓扑图4-7输入电压和开关单元构成的激励源a) 全桥b) 半桥c) 不对称半桥d) 全桥电流源1. 谐振变换器的电路拓扑图4-8两元件谐振单元1. 谐振变换器的电路拓扑图4-9三元件谐振单元1. 谐振变换器的电路拓扑图4-10整流滤波单元a) 电感电容滤波b) 电容滤波1. 谐振变换器的电路拓扑图4-11几种典型的谐振变换器a) 串联谐振变换器b) 并联谐振变换器c) LCC谐振变换器d) LLC谐振变换器2

6、. 谐振变换器的控制策略图4-12不同开关频率时的谐振单元电压和电流波形a) /2b) /22. 谐振变换器的控制策略图4-13/2时开关管的工作情况a) 关断b)开通4.1.3LLC谐振变换器1. 工作原理2. 基本特性1. 工作原理图4-15LLC谐振变换器a) 主电路b) 主要波形1. 工作原理图4-16各开关模态的等效电路a) ，b) ，c) ，d) ，2. 基本特性图4-17LLC谐振变换器的简化电路2. 基本特性图4-18LLC谐振变换器的输入输出电压传输比4.1.4PWM软开关变换器1.电路拓扑2. 工作原理1.电路拓扑谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器都采用频率调制的方法，

7、其开关频率变化范围较宽，很难优化设计变压器、电感和电容等元器件。因此有必要将谐振变换器和PWM变换器结合起来，既可以实现软开关，又可以实现恒频开关。PWM软开关变换器在准谐振变换器的基础上，加入辅助开关管，将谐振元器件的谐振过程切分为两个阶段。当主开关管需要开关时，辅助开关管先工作，让谐振元件谐振，为主开关管创造软开关的条件，因此主开关管可以实现PWM控制。虽然该类变换器中谐振元器件不是一直谐振工作，但谐振电感串联在主功率回路中，损耗较大。同时，与准谐振变换器一样，开关管和谐振元器件的电压应力和电流应力很高。2. 工作原理1) 开关模态1t0，t1:在t0时刻之前，主开关管VT和辅助开关管VT

8、a处于截止状态，升压二级管VD导通。2) 开关模态2t1，t2：La开始与Cr谐振，iLa继续上升，而Cr的电压ucr谐振下降。3) 开关模态3t2，t3：在该模态中，La电流通过VDQ续流，此时可以零电压开通VT,如图4-22c所示。4) 开关模态4t3，t4：t3时刻关断VTa，加在La两端的电压为，La的电流线性下降，其能量转移到负载中。5) 开关模态5t4，t5：在此模态中，VT导通，VD关断。6) 开关模态6t5，t6：在t5时刻关断VT，此时升压电感电流给Cr充电，Cr的电压从0开始线性上升。2. 工作原理7) 开关模态7t6，t7：该模态与基本的Boost电路一样，Lb和Uin给

9、滤波电容Cf和负载供电，如图4-22g所示。2. 工作原理图4-19不隔离的ZVT PWM变换器a) Buckb) Boostc) Buck- Boostd) Cuke) SEPICf) Zeta2. 工作原理图4-20隔离的ZVT PWM变换器a) Forwardb) Flybackc) Cukd) SEPIC2. 工作原理图4-21Boost ZVT PWM变换器的主要波形图图4-22在不同开关状态下的等效电路a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ，g) ，2. 工作原理4.1.5移相控制全桥变换器1. 工作原理2. 主要特性1. 工作原理1) 开关模态1t0，t1：在t0时刻之前

10、，VT1和VT4导通，Uin向负载传递能量。2) 开关模态2t1，t2：VD3导通后，可以零电压开通VT3。3) 开关模态3t2，t3：在t2时刻，关断VT4，ip给C4充电，同时给C2放电。4) 开关模态4t3，t4：VD2在t3时刻自然导通后，将VT2的电压箝在零位，此时可以零电压开通VT2。5) 开关模态5t4，t5：在t4时刻，ip由正值过零，并且向负方向增加，流过VT2和VT3。6) 开关模态6t5，t6：在这段时间里，Uin给负载供电，ip=-Io/K。1. 工作原理图4-23主电路及主要波形a) 主电路b) 主要波形图4-24各种开关状态的等效电路a) ，b) ，c) ，d) ，

11、e) ，f) ，1. 工作原理2. 主要特性(1) 开关管的ZVS实现(2) 占空比丢失(1) 开关管的ZVS实现由上面的分析可知，并联电容用来实现开关管的零电压关断，但要实现零电压开通，必须要在开关管开通之前，将其电荷放到零，因此需要足够的能量来抽走即将开通的开关管并联电容上的电荷；给同一桥臂关断开关管的并联电容充电；如果考虑变压器的一次绕组电容，还要一部分能量来抽走其上的电荷。(2) 占空比丢失占空比丢失是移相控制ZVS全桥变换器的一个特有现象，它是指二次占空比Dsec小于一次占空比Dp，其差值就是占空比丢失Dloss，即Dloss=Dp-Dsec。产生占空比丢失的原因是存在一次电流从正向

12、(或负向)变化到负向(或正向)负载电流的时间，即图4-23b中的t2，t5和t8，t11时段。在这段时间里，虽然一次侧有正电压方波或负电压方波，但一次侧不足以提供负载电流，二次侧整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态，其两端电压为零。4.2三电平DC/DC变换器4.2.1多电平变换器的分类4.2.2基本的三电平变换器4.2.3隔离型三电平变换器4.2.1多电平变换器的分类图4-25多电平逆变器a) 二极管箝位型b) 飞跨电容型c) 级联型4.2.1多电平变换器的分类图4-26二极管箝位型的基本TL变换器a) Buckb) Boostc) Buck-Boostd) Cuke) SEPICf)

13、Zeta4.2.2基本的三电平变换器1. Buck2. Boost4.2.2基本的三电平变换器图4-27飞跨电容型基本TL变换器a) Buckb) Boostc) Buck-Boostd) Cuke) SEPICf) Zeta1. Buck(1) 工作原理(2) 外特性(3) 优点1. Buck图4-28Buck TL变换器(1) 工作原理图4-29不同开关模态的等效电路a) V和V同时导通b) V导通，V关断c) V导通，V关断d) V和V同时关断e) 电感电流等于零(1) 工作原理图4-30电感电流连续时Buck TL变换器的主要波形a) D0.5b) D0.5(2) 外特性图4-31电感

14、电流断续时Buck TL变换器的主要波形a) D0.5b) D0.5(2) 外特性图4-32Buck TL变换器的外特性(3) 优点1)电压应力。2)滤波电感。3)滤波电容。1)电压应力。从前面的分析可知，Buck TL变换器中的开关管和续流二极管的电压应力仅是输入电压的一半，与Buck变换器相比，均减小一半，有利于选择合适的开关管。2)滤波电感。图4-33Buck TL变换器与Buck变换器电感电流脉动值的比较a) 输入电压恒定时b) 输出电压恒定时3)滤波电容。图4-34Boost TL变换器2. Boost(1) 工作原理(2) 控制特性(3) 优点(1) 工作原理图4-35不同开关模态

15、的等效电路a) V和V同时导通b) V导通，V关断c) V导通，V关断d) V和V同时关断e) 电感电流等于零(1) 工作原理图4-36电感电流连续时Boost TL变换器的主要波形a) D0.5b) D0.5(1) 工作原理图4-37电感电流断续时Boost TL变换器的主要波形a) D0.5b) D0.5(2) 控制特性图4-38Boost TL变换器的控制特性(3) 优点1) 电压应力。2) 升压电感。3) 滤波电容。1) 电压应力。前面分析表明，Boost TL变换器中的开关管和升压二极管的电压应力仅是输出电压的一半，与Boost变换器相比，均降低一半。2) 升压电感。图4-39Boo

16、st TL变换器与Boost变换器电感电流脉动值的比较a) 输入电压恒定时b) 输出电压恒定时3) 滤波电容。在Boost TL变换器中，每只滤波电容上的电流脉动频率等于开关频率，即在一个开关周期内，每只滤波电容充放电一次。如果电流脉动相等，同时要求滤波电容电压脉动相等，Boost TL变换器的每只输出滤波电容容量与Boost变换器的相等，但电压定额低一半。也就是说，总体的输出滤波电容容量减小一半。4.2.3隔离型三电平变换器1.隔离型三电平变换器的种类2.半桥TL变换器3.复合全桥TL变换器1.隔离型三电平变换器的种类图4-40隔离型TL变换器a) 正激b) 反激c) 推挽d) 半桥e) 复

17、合全桥f) 全桥隔离型TL变换器包括正激、反激、推挽、半桥、复合全桥和全桥六种，如图4-40所示。2.半桥TL变换器(1) 工作原理(2) 主要特点2.半桥TL变换器图4-41ZVS半桥TL变换器a) 主电路b) 主要波形(1) 工作原理1)开关模态1t0，t1(见图4-42a)：在t0时刻之前，VT1和VT2导通，VDR1导通，VDR2截止。2) 开关模态2t1，t2(见图4-42b)：VD5导通后，将VT4的电压箝在零位，此时可以零电压开通VT4。3) 开关模态3t2，t3(见图4-42c)：在t2时刻关断VT2，ip给C2充电，同时通过Css给C3放电。4) 开关模态4t3，t4(见图4

18、-42d)：VD3导通后，可以零电压开通VT3。5) 开关模态5t4，t5(见图4-42e)：ip反方向流动，流经VT3和VT4。(1) 工作原理6) 开关模态6t5，t6(见图4-42f)：在这段时间里，电源给负载供电。图4-42各种开关状态的等效电路a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ，(1) 工作原理(2) 主要特点1) 开关管的电压应力。2) 开关管的ZVS实现。3) 占空比丢失。3.复合全桥TL变换器(1) 工作原理(2) 主要特点(1) 工作原理图4-43HFB TL变换器(1) 工作原理图4-44HFB TL变换器的控制策略a) 三电平模式b) 两电平模式(1) 工作原

19、理图4-45HFB TL变换器的等效电路图a) +1模态b) +1/2模态c) +0模态d) -1模态e) -1/2模态f) -0模态(2) 主要特点1) 开关管的电压应力。2) 输出滤波电感。3) 输出整流二极管电压应力。1) 开关管的电压应力。从图4-45中可以看出，三电平桥臂开关管的电压应力为Uin/2，两电平桥臂开关管的电压应力为Uin。2) 输出滤波电感。2) 输出滤波电感。图4-46HFB TL变换器和全桥变换器的比较a) 滤波电感电流脉动b) 输出整流二极管电压应力3) 输出整流二极管电压应力。如果采用全波整流模式，当HFB TL变换器工作在3L模式和2L模式下时，其输出整流二极

20、管电压应力为UDR=2Uin/K(3L模式)Uin/K(2L模式) (4-61)全桥变换器的输出整流二极管电压应力为UDR=2Uin/K (4-62)4.3同步整流技术4.3.1同步整流技术的基本概念4.3.2同步整流管的驱动时序4.3.3同步整流管驱动电路分类4.3.4同步整流双向驱动方式4.3.5同步整流单向驱动方式4.3.1同步整流技术的基本概念图4-47MOSFET的符号4.3.2同步整流管的驱动时序图4-48同步整流管的驱动时序4.3.2同步整流管的驱动时序图4-49同步整流管提前开通a) Q导通b) S提前开通4.3.3同步整流管驱动电路分类图4-50同步整流管电流双向流动驱动方式

21、a) 电路图b) 主要波形4.3.3同步整流管驱动电路分类图4-51同步整流管电流单向流动驱动方式a) 电流检测方法b) 电压检测方法c) 电流连续模式d) 电流断续模式4.3.4同步整流双向驱动方式1.驱动逻辑信号2. 它驱式电路3. 自驱式电路1.驱动逻辑信号图4-52带复位绕组的正激变换器a) 电路图b) 同步整流管的驱动逻辑信号1.驱动逻辑信号图4-53有源箝位正激变换器a) 电路图b) 同步整流管的驱动逻辑信号1.驱动逻辑信号图4-54反激变换器a) 电路图b) 同步整流管的驱动逻辑信号1.驱动逻辑信号图4-55推挽变换器a) 全波整流b) 倍流整流c) 同步整流管的驱动逻辑信号1.

22、驱动逻辑信号图4-56半桥变换器a) 全波整流b) 倍流整流c) 对称控制d) 不对称控制1.驱动逻辑信号图4-57全桥变换器a) 全波整流b) 倍流整流c) 基本控制d) 有限单极性控制e) 移相控制1.驱动逻辑信号表4-1各种变换器的同步整流管驱动逻辑信号2. 它驱式电路图4-58同步整流它驱式电路2. 它驱式电路图4-59开通延时设置3. 自驱式电路图4-60同步整流自驱动电路a) 正激变换器二次整流电路b) 全波整流电路c) 倍流整流电路3. 自驱式电路图4-61正激变换器的主要波形a) 加复位绕组b) 有源箝位3. 自驱式电路图4-62加辅助绕组的同步整流自驱动电路a) 正激变换器二

23、次侧整流电路b) 全波整流电路c) 倍流整流电路4.3.5同步整流单向驱动方式1) 开关模态1 t0，t1 (见图4-64a)：在t0之前，栅极电容电压、励磁电感电流和同步整流管电流均为零。2) 开关模态2 t1，t2(见图4-64b)：在t1时刻，CG电压谐振上升到同步整流管的门槛电压，使得它开始导通，iSR流过其沟道。3) 开关模态3 t2，t5 (见图4-64c)：当CG电压达到UoN2/N3时，VD1导通，将得CG电压箝在该值，由此同步整流管得到一个稳定的驱动电压。4) 开关模态4 t5，t6(见图4-64d)：由于iSR减小，绕组N2的电流开始小于iLm，这时CG放电，其电压降低，V

24、D1截止。4.3.5同步整流单向驱动方式5) 开关模态5 t6，t7 (见图4-64e)：由于CG电压高于门槛电压，因此iSR过零后继续反向流动。6) 开关模态6 t7，t8(见图4-64f)：在这段时间里，Lm和CG谐振工作，CG电压下降并为负，并在t8时刻反向上升到-UoN2/N4，此时VD2导通，将CG电压箝在该值。7) 开关模态7 t8，t9 (见图4-64g)：当VD2导通后，-UoN2/N4加在Lm上，使其电流线性下降，其能量回馈到负载中。8) 开关模态8 t9，t10(见图4-64h)：在这段时间里，CG反向放电，与Lm谐振工作。4.3.5同步整流单向驱动方式从上面的分析可以看出

25、，该电流型驱动电路有以下特点：1)其驱动电压幅值是恒定的，不受输入电压和负载变化的影响；2)驱动变压器的励磁能量回馈到负载，效率高；3)适用于电流连续模式和电流断续模式；4)适用于各种变换器及各种整流方式。4.3.5同步整流单向驱动方式图4-63电流型驱动同步整流电路a) 电路图b)主要波形图4-64同步整流各个开关模态等效电路a) ，b) ，c) ，d) ，e) ，f) ，g) ，h) ，4.3.5同步整流单向驱动方式4.4交错并联技术4.4.1交错并联技术的基本概念4.4.2交错并联变换器4.4.3交错并联变换器和多电平变换器的对比4.4.1交错并联技术的基本概念当电源装置输出功率较大，无

26、法选择到合适电流定额的开关管时，一般可以采用多只开关管并联的方法。为了保证这些开关管共同分担电流，需要慎重挑选，使它们的特性尽量一致。同时在布板时，也要使它们的电流通路尽量对称或一致。为了满足大功率的需求，另一种方法是采用多个变换器并联，除了采用必要的输出均流措施外，对变换器的开关频率、电感、电容、功率器件、控制电路等的一致性没有要求，这样可以避免挑选开关管以及布板的苛刻要求。当n个变换器并联时，如果各变换器之间的相移为2/n，总的输入和输出电流纹波最小，此时我们称这些变换器是交错(Interleaved)并联的。4.4.2交错并联变换器1. Buck变换器2. 正激变换器3. 双端变换器1. Buck变换器图4-65两个Buck变换器并联1. Buck变换器1. Buck变换器图4-66两个Buck变换器并联的主要波形a) D0.51. Buck变换器图4-67输出电流脉动比较2. 正激变换器上面是以Buck变换器为例，讨论了交错并联的优点，其他的变换器也具有这样的优点。正激变换器的并联有两种方法，一种在滤波电感之前，一种是在滤波电感之后，如图4-68所示。当在