（电力电子与电力传动专业论文）一种最小电压应力的无源无损软开关技术研究.pdf

管关断时的零电压关断。并且这个环节在输入电压宽范围变化时仍然能够实现软丌关功 能。软开关环节的存在没有影响电路功率因数校正的功能电路能够实现很高的功率因 数，谐波含量也满足设计要求。文中给出了仿真分析和实验波形，实验波形和仿真波形 以及理论分析的波形基本上是吻合的。 关键字：开关电源，无源无损软开关，小信号分析，平均电流模式 r e s e a r c ho nap a s s i v el o s s l e s ss n u b b e rw i t hm i n i m u m v o l t a g es t r e s s q u x u g u a n g ( p o w e re l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yk o n gl i a b s t r a c t s w i t c h m o d e - p o w e r - s u p p l y ( s m p s ) h a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f i t ss m a l lv o l u m e ， l i g h tw e i g h t ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c e w i t ht h ee n h a n c e m e n to ff r e q u e n c y ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) p r o b l e mp r o d u c e s ，t h ed i s s i p a t i o no ft h em a i np o w e r s w i t c hi n c r e a s e sa sw e l l h o wt oi m p r o v et h eo p e r a t i o nc i r c u m s t a n c eo ft h es w i t c h ，h o wt o d e c r e a s et h ec u f r e n ta n dv o l t a g es t r e s so f t h em a i ns w i t c hd u r i n gt u r no na n dt u r no f f t r a n s i e n t b e c o m eo n eo f t h ef o c u sp e o p l es t u d y t h ee f f i c i e n ta p p r o a c ht os o i v es w i t c h i n gd i s s i p a t i o ni st ou s es o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u e ， i tc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w og r o u p so fa c t i v ea n dp a s s i v ea c c o r d i n gt ot h eu s eo fa d d i t i o n a l s w i t c ht h ep a s s i v eo n ec a na l s ob ec l a s s i f i e di n t op a s s i v ed i s s i p a t i o na n dn o n d i s s i p a t i o n t h ea c t i v es o f t s w i t c h i n gm e t h o dc a na c h i e v er e a ls o f ts w i t c h ，p r o v i d e sz e r ov o l t a g eo rz e r o c u r r e n tr u mo n ，z e r oc u r r e n to rz e r ov o l t a g et u r no f f i tc a ns o l v ep o w e rd i s s i p a t i o ne f f i c i e n t l y a n d i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n v e r t e r b e c a u s eo fi n t r o d u c t i o no ft h ea d d i t i o n a ls w i t c h ， t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ec o n v e r t e rb e c o m e sc o m p l e xa n dt h ea m o u n to ft h ea d d e d p a r t sa n d c o s ti n c r e a s e s w h i l eu s i n g p a s s i v e l o s s l e s ss o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u e ，t h ez e r oc u r r e n tt u r no n a n dz e r ov o l t a g er u mo f f o f t h em a i ns w i t c hc a nb ea c h i e v e d ，t h ee f f i c i e n c yo f t h ec o n v e n e ri s i m p r o v e da sw e l l t h ec o n t r o lc i r c u i to f t h eo r i g i n a lc o n v e r t e ri sn o tc h a n g e dt o om u c h ，t h e a m o u n to f t h ea d d e d p a r t s i ss m a l l ，a n dt h ec o s ti sr e d u c e d s oi tw i l lb eu s e dw i d e l y ， i nt h i st h e s i s ，t h er e a s o nt h a tl e a d st ot h ed i s s i p a t i o no ft h es w i t c ha n de m iw a sd e e p l y a n a l y z e d ，o n et o p o l o g y o fas o - c a l l e d p a s s i v e ，l o s s l e s ss o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e w i t h m i n i m u m v o l t a g es t r e s sw a s s t u d i e da n da p p l i e dt oa p f cc i r c u i t t h eo p e r a t i o nm o d eo ft h e c i r c u i ti sa n a l y z e da n dt h ec o n d i t i o no f h o w t oa c h i e v es o f ts w i t c hi sd i s c u s s e d ，h o wt od e s i g n t h ep a r a m e t e r so ft h es n u b b e ri sp r e s e n t e da sw e l l s a b e rw a su s e dt os i m u l a t et h eo p e r a t i o n o ft h i ss o f t s w i t c h i n gt o p o l o g y , t h er e s u l ts h o w e dt h a ti tc o u l da c h i e v ez e r oc u r r e n ts w i t c h i n g w h e nt h em a i ns w i t c ht u r n e do na n dz e r ov o l t a g es w i t c h i n gw h e ni tt u r n e do f f t h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h e a v e r a g e c u r r e n tm o d ec o n t r o lw a sd e e p l y a n a l y z e di nt h i st h e s i s s m a l ls i g n a la n a l y s i si sa ne f f i c i e n tt o o lf o rt h es t u d y o f p o w e r c o n v e r t e r a f t e rb u i l d i n g as m a l ls i g n a lm o d e lo fac o n v e r t e r , o n ec a n d e e p l ya n dt h o r o u g h l ys t u d yi t so p e r a t i o np r o c e s s t h et r a n s f e rf u n c t i o n sb e t w e e ni n p u t ，o u t p u ta n dc o n t r o lc a nb ep r e s e n t e d t h e s et r a n s f e r f u n c t i o n sa r et h ep r e m i s eo f d e s i g nt h ec o n t r o lc i r c u i t i nt h i st h e s i st h es m a l ls i g n a lm o d e lo f t h ep o w e rs t a g eo ft h ec o n v e r t e rw a se s t a b l i s h e da n da n a l y z e d ，t h er e l a t i v et r a n s f e rf u n c t i o n s w e r e p r e s e n t e d a p r o t o t y p eo f a2 5 0 wa p f cc o n v e r t e rw a se s t a b l i s h e dt ov a l i d a t e dt h et h e o r ya n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t aw i d ea d j u s t e dp o w e rw a su s e da st h ei n p u t ，t h eo u t p u tw a sac o n s t a n t d cv o l t a g e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es t u d i e dp a s s i v el o s s l e s s s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e c o u l da c h i e v ez e r oc u r r e n ts w i t c h i n gw h e nt h em a i ns w i t c ht u r n e do na n dz e r o v o l t a g e s w i t c h i n g w h e ni tt u r n e do f fi nw i d e i n p u tv o l t a g er a n g e t h ee x i s t e n c eo f t h es o f t s w i t c h i n g h a dn oe f f e c to nt h ec o n v e r t e rt og e th i g hq u a l i t yf a c t o r , a n dt h et h dc o u l da c h i e v et h e r e q u i r e m e n ta sw e l l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw a v e f o r m sw e r ep r e s e n t e d ，t h et w of o r m e r r a n dt h et h e o r e t i c a lw a v e f o r mw e f e b a s i c a l l yi nc o n s i s t e n t k e yw o r d s ：s m p s ，p a s s i v e i o s s l e s s s o f t - s w n e h i n g ，s m a l ls i g n a la n a l y s i s ，a v e r a g e c u r r e n tm o d ec o n t r o l 一种最小电压戍力的无源无损软开关技术研究 第一章概述 1 1 软开关技术的提出 1 1 1 丌关损耗 以d c d c 变换器为核心的开关模式电源的应用日益广泛。和传统的相控电源相比， 采用高频功率变换的开关电源体积小，重量轻，变换效率高。由于变换效率的提高，能 耗减少，降低了电源周围的室温，改善了工作人员的环境。由于体积的减小，为国家节 约了大量的铜材，钢材，产生了明显的社会和经济效益。 传统的直流变换器中通常采用p w m 控制方式，开关管工作在硬开关状态。由于开 关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间， 同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这一段时阳j 罩，电流 和电压有一个交叠区，产生损耗，这种损耗称为丌通损耗( t u r no nl o s s ) 。当丌关管关断 时，开关管的电压也不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升n , - j i 自j ，同时它的电 流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠 区域，产生损耗，这种损耗成为关断损耗( t u r no f f l o s s ) 。因此在丌关管开关工作时，要 产生开通损耗和关断损耗，这两种损耗统称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定的条件 下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的丌关损耗与丌关频率成 正比，那么开关频率越高，总的开关损耗就越大，这样就会导致变换器的效率越低。开 关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻型化。 另外开关管工作在硬开关时还会产生高的d i l d t 和d r d r ，从而产生大的电磁干扰 ( e m i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。下图是开关管开关时的电压和电流波形，由图中可 以清楚地看到开关损耗的描述。 图1 】开关管开关时的电压和电流波形 种最小i 也压威力的光源光损软开关挫术研究 1 1 2 软开关技术的提出和实现策略 为了减小开关损耗，改善开关器件的工作条件，提高变换器变换效率，增强变换器 抗干扰能力，人们提出了软开关技术。下图是实现软开关的波形示意图。 ll 竺星。 釜：l 竺：l 舀竺邕 i鬯：公竺： ( a ) 零电流开关( b ) 零电压开关 图1 2 丌关管实现软开关的波形图 减小丌通损耗实现软开关有以下几种方法： 1 ) 在丌关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电流 和电压的交叠区，这就是所谓的零电流丌通，如图1 2 ( a 1 所示。 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】一2 ( b ) 所示。如果能够同时做到上面的两点，那么开通损耗将会降低到零。 减小关断损耗有以下几种方法： 1 ) 在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流关断。如图1 2 ( a ) 所示，关断损耗基本减小到零。 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，从而减小电流 与电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断，如图1 2 ( b ) 所示，关断损耗大大减小 了。如果能够同时做到上面的两点，那么关断损耗将会降低到零。 图1 3 ( a ) 是丌关管工作在硬开关条件下时的开关管开关轨迹，图中虚线为双极性晶 体管的安全工作x ( s a f e t yo p e r a t i o n a r e a , s o a ) ，如果不改善开关管的开关条件，其开关 轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。 图1 3 ( b ) 是开关管工作在软开关条件下的开关轨迹，山图可以看到，通过采用软丌 关技术，开关管的工作轨迹得到明显的改善。 种最小i u 件山的光源尢损软开共让术圳i ( a ) 硬丌关条件下的开关轨迹( b ) 软丌关条件下的开关轨迹 图1 3开关管开关轨迹 1 1 3 软丌关技术的分类 变换器的软丌关技术实际上是利用电感和电容来对丌关的丌关轨避进行整形，最早 的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电 路并消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这样的方法对于变换器的效率没有提高，甚 至会使变换器的效率有所降低。例如r c d 吸收环节。 目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正的减小_ 丌关损耗，而不 是开关损耗的转移。软开关技术按有无辅助开关管可以分为有源软丌关技术和无源软开 关技术。这些技术的提出也形成了对不同类型变换器的命名。 无源软丌关技术可以分为： 1 ) 全谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联喈振 变换器。谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系很 大，对于负载变化很敏感，一般采用频率调制方法； 2 ) 准谐振变换器，多谐振变换器。谐振元件参与能量变换的某个阶段，不是全 程参与。这类变换器采用频率调制方法； 3 ) 无源有损耗和低损耗软开关技术，这类技术中青消耗能量的电阻存在； 4 ) 无源无损软开关技术。这种技术中全部采用无源元件，并且在谐振环节罩没有 消耗能量的电阻存在，电路结构简单，理论上不消耗能量，将开关瞬态产生的能量 反馈到电源端或者负载端，从而实现无损。 有源软丌关技术可以分为： 1 ) 零开关p w m 变换器，z e r os w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r 。分为零电压开关p w m 变 一种最小h ij + , j ；, i 力的_ 尢源尢损软开关技术训兀 换器和零电流开关p w m 变换器。这类变换器实现了p w m 控制。 2 ) 零转换p w m 变换器，z e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e r 。分为零电压转换p w m 变换器 和零电流转换p w m 变换器。这类变换器的特点是变换器i 。作舀：p w m 方式卜， 辅助谐振电路只是在主丌关管丌关叫_ 上作+ 段口j 问，实现j i ：天锡。的软儿天，u 它时间则停止工作，这样谐振电路的损耗很小。 1 1 4 软开关技术带来的一些不利因素和对策 出于软丌关技术的引入，带来的一些不利因素主要体现在： 】) 电路中增加额外的元器件； 2 ) 开通时吸收环节( t u m o ns n u b b e r ) 会在开关管关断时引入附加的电压应力，关断时吸收 环节( t u r no f f s n u b b e r ) 会在开关管开通时引入附加的电流应力； 3 ) 为了保证该环节的f 常工作，丌关管的最大和最小占空比可能会受到限制。 为克服软开关环节所带来的一些消极影响，必须做到： 1 ) 增加尽可能少的元器件，保证电路结构的简单化： 2 ) 1 l 入的额外电压和电流应力要尽可能的小； 3 ) 诈确处理好电路中二极管的反向恢复问题： 4 ) 优化设计，使得参数取值对占空比的影响达到最小。 1 2 国内外研究现状 出于改善功率开关管工作条件，提高电路变换效率，人们最早是从吸收电路( s n u b b e r ) 的研究来入手的。1 9 7 2 年，w i l l i a mm c m u r r a y 就如何吸收器件的反向恢复电流，限制 电压尖峰，延缓d r d r 的上升率详细论述了如何设计和优化r c ds n u b b e r 的参数设计 【l 】。但是这种结构是将功率开关瞬态的能量转移到功率电阻上消耗掉，对于电路效率 的提高没有起到作用，是- - e e 无源结构。图卜4 是它的典型结构，这种结构目前仍然在 很多的小功率开关电源中使用。 一种最小电压成力的光源无 ； 软开关技术 卅允 图1 ，4 r c d 软吸收环节图1 5 改进的r c d 软吸收环节 通过引入电感元件来限制电流的上升率提出了延缓d i i d t 的拓扑结构【2 】，这种 结构的提出是目前所提到的z c s 和z v s 的原型，图】一5 ：和【1 】中提到的一样这 种结构中仍然有功率电阻的存在，它依旧起到消耗瞬态能量的作用，所以这种结构仍是 一种有损耗的无源软开关结构。 1 9 7 4 年， g m a t t s o n 。l s e g a r 提出了一种无源无损拓扑结构【3 】，这种结构和6 u 面的最大不同就在于它没有电阻元件，而是采用电感，电容和二极管组成的谐振回路， 将丌关管关断瞬间的能量储存在电抗元件中，然后在丌关管丌通的过程中再将这部分能 量反馈到电源端，从而实现了能量的无损，提高了变换器的变换效率，图1 6 。这种结 构被后来的人们称之为m a t t s o n s e g a rs n u b b e r 。图1 7 是它的改进结构。 d 耋 图1 6 m a t t s o n s e a g r 软吸收环节图1 - 7 改进的m a t t s o n s e a g r 软吸收环节 文献1 6 l 中提出了一种无源无损的结构，这种结构和【3 】中的不l ；日之处在 它不 但能够在丌关管关断时提供零电压关断，而且能够在开关管开通时提供零电流开通。这 种结构被应用于大功率单相和三相逆变器中，对于缓解功率管应力提高变换效率起到非 常好的作用。 k m a r ks m i t h 和k e y u em as m e d l e y 回顾以往软开关设计的主要思想和经验，结合 图论的知识，提出了一个比较完整的体系来供人们设计和开发新的无源无损软开关拓扑 结构【8 】。这些新的结构具有电路结构简单，使用元器件数量少，开关管电压应力小， 对于提高电路效率效果明显等特点。这篇文献中的思想代表了目i u 国际上对于无源无损 软开关设计的一个潮流。几种典型的结构如下： 种援小也雉腑力的光源光损软开关技术删宄 d l _ r 广七爿t i 静广薛：昌j q 苗r 钭圳 m v sc e l l s 最小电压应力单元 i h d 1l 巩e，d3 e ! 茎 iq l li 图1 9n o n m v sc e l l s 非最小电压应力单元 国内关于软丌关的研究也比较多，大多数都是集中在有源软丌关的研究上，比如全 桥变换器的软丌关技术。对于无源无损技术关注的比较少。浙江大学电力电子国家实验 室的研究人员在这方面做了很多的工作，他们提出了一种无源无损吸收电路【9 】。该结 构应用于高功率逆变桥臂中，附加元件较少，电路结构简单，能量通过互感器蚓馈到商 流母线。 综合上面的材料和查阅的其他文献可以看到，文献【8 】是近年来该领域一个比较 新的和完整的研究成果，具有拓扑简明，适合与模块化工作，并且附加应力小等优点。 当前无源无损技术的关键在于如何处理所吸收的能量，让这些能量在开关周期内以 合理的路径回馈到电源端或者负载端，并且保证电路工作的稳定性和可靠性。如果不能 在开关周期内处理完能量的回馈，将必然会导致电路工作不稳定，输出电压波动，负载 依赖性等问题，软开关将不能实现等缺陷。 1 3 本论文方案选取 基于文献【8 】中提到理论和指导思想，本论文拟研究和实现一种最小电压应力无 源无损软丌关拓- t f 结构。以有源功率因数校正( a p f c ) 电路为实验平台，研究软开关 的实现条件，能量回馈的有效途径和参数设计的方法。 a p f c 的前端采用b o o s t 拓扑结构，当工作在高频时丌关损耗是一个不可忽视的问 题。功率二极管的反向恢复电流是造成这种损耗的一个重要原因。如何延缓和降低反向 一种最小电批应力的光源光损软开关 土木州l 究 恢复电流及其上升率，对于减小开关损耗，保持电路工作的稳定性和高效性具有重大意 义。采用最小电压应力( m v s ) 这种结构，其优势在于所用元器件数量少，l 乜路结构简 单，控制电路简单，成本较低，具有很广泛地应用前景。电路工作的稳定性好，效率较 高，采用这种结构，开关管的电压应力最小，等于输出电压大小。 将最小电压应力这种软丌关环节加到有源功率因数校正电路上的等效电路图为： ；d o jl ，l _一 z d 1d 2c ，宁0 3 卜、l卜、il卜、l i lv - ly l s _ fs j e c ，一 ：c z 互1 ，1 2 。 ( 2 2 2 ) 反之，如果c 。放电完成，但是上，中的电流没有达到输入电流大小，那么在成导通 的同时，d ，d ：，d 3 也将导通段时间，直至，能够承担起全部输入电流，见模念分析 ( f 。，；) 。应该避免这种情况的出现，因为这样将会增加二极管的丌通损耗。 8 ，工作模态8 ：r ，f 2 f ，时刻，d 。，d ：关断，上，继续对c 。进行放电。假设在这个工作模态流过电感工、的 电流保持不变那么g 上的电压将线性下降。在t 。时刻g 放电完成，g 中的能量全部 转移到负载中去，此模态结束。 i ，( ( ，) ：v n ( ，) 一掣( f f ，) ( 2 2 3 ) o 此开关模态的时间间隔是：h = 鱼 盟 9 ，工作模态9 ：f b r o g 中的能量全部转移到负载，域开通，此时坟是零电压开通。此开关模态电路工 作情况和f 0 时刻之前相同。至此，该电路完成一个周期的动作。 一种最小l u j 十腑力的光源尢损软矸最技术圳 ，o ， 车冬- 鲁 r i 二_ r = 二= 蔓笠f 眵f ； ! ；一一一一- i ：l 令卜广书卜l - c 井一 丫翻引。l c ， d 2岛书 岛，3 圪。 ，。 ，、 r 7 f 8 o ， 妒 司川岛翔 夏见一 五霉一 寝 p 丘 种最小i u j 十j 衄力的无源无损鞍开关 土术川咒 i ，棚， r = 二；丁二= 二：= 二= = 亡= f 芝 f f l 。一一一一二箸- 一一f 怄f 尹甘1 ，b “f 6 ，7 图2 3电路工作模态分析图 2 1 3 器件电压电流应力 组成软丌关环节器件和主功率丌关器件和二极管的电压和电流应力如下： 电压应力电流应力 d ， k 。，i 。 d ， k 。，。 d 3圪。，。 玩，+ m a xi 。 s 吒，i 。+ i | m ，“ 表2 1 电压电流应力 2 1 4 电路工作波形 根据上面的工作模念分析，绘出电路中各个元件的电流电压波形如下 j ；l ，l ， 一 斗牟o 4 # 令一 _ # 3 - + 寺= _ _ + _ 一 _ 斗二f 斗寸气_ _ - 一 坛。牟o _ 一l 0 # 茸二l 一 呓葺辎茸j 二e = e # 一 。“斗一i _ ：二_ l 4 _ l o 一 以ii = 二二二二士j = 支j l 急鬻奎耋黉罩： k 4 # 0 牟牟4 l 阜一 f o 1 ，2 f 3f 4f 5 气f 7 毛f o 图2 4 电路工作波形 二二塑! ：坐! ! ! 塑塑垄塑垄塑鉴茎苎茎查坐壅 2 i 5 软开关实现条件 1 ，在f ，时刻，d o 完成反向恢复；，：时刻，c 。完成能量恢复：，。时刻，、完成能量恢复。 截止f 3 时刻，c 。中的能量全部转移到c 中。 上面的能量转移均是在s 丌通的情况下完成的，即s 的最小丌通日引铷应该满足： 乙r a i n ，3 一，。，这样才能完成能量转移。 t 。r a i n = r p 。 r 是开关周期，d 。是最小占空比。 2 ，s 时刻，g 开始放电：f b 时刻，g 放电完成，其能量全部转移到负载端。 j ：面的能量转移是在s 关断的情况下完成的。那么s 的最小关断时阳j 应该满足 7 77 ”r a i n 一j 、 7 ：wm i n = i ( 1 一哦。) 一是开关周期，d m 。是最大占空比。 3 ，为了保证吸收网络的正常工作，为软开关的实现创造条件谐振频率应该比丌关频 率大，即必须满足：鲁 ，。 蛾是谐振角频率，是开关频率。 4 ，参数设计应该满足关系式： c 。矿。2 ，+ 寻三，j 丢。，： 由上面的模念分析可知，如果这个不等式不能满足，那么在下个开关模念中将 会出现三个二极管同时开通的情况，这样将会增加开通损耗。上式的左边是电容g 上 的最大能量表达式。经过变换可以得到下面的式子： 一种罐小屯肚应力的无源尤损软开关控术训宄 即z ， 上竺! ! j l 。 令z ：娑，将此关系代入谐振频率大于丌关频率的条件可以 。m a x 得到：g c 丢# i ，将z 代入此不等式，那么可以得到 g c 瓦 瓦j m a 丽x l 鉴! 竺竺( 2 2 4 ) 卫一 【2 2 4 ) 3 2 识，。m a x 根据所查阅的文献资料知道，e 和c 。之间的比例关系一般取为： ( = ( 1 0 3 0 ) e 。 5 ，( 2 9 ) 式决定了功率开关管的电流应力，由此式可以看到流过开关管的电流和吸收 环节的电容值有关系，增大e 将会增大s 的电流应力和d o 的电压应力； 6 ，由所查文献可知，二极管的反向恢复电流和流过它的正向电流以及t 之间的关系为： 1 。芘 再层 f 2 2 5 ) 其中，为二极管的反向恢复电流，是流过二极管的正向电流，l 是吸收电感。 所以增大l 可以降低二极管的反向恢复电流，减少损耗； 7 ，在实际应用中要通过仿真和实验在工，e 和c 。的取值之间进行折衷考虑，以达到参 数的最优化。 竺l k 一 0 = 悟虬 种最小i uj 卡j 加j 的无源光赫哇软开关技术圳饨 2 2p w m 变换器的开关损耗 p w m 变换器的丌关损耗可以分为：开通损耗，关断损耗，内部电容损耗，通态损耗。 这些不同类型的损耗可以用一些简化的模型束表示出吸收环节中电容和电感的损耗量。 下而的分析以功率m o s f e t 为例柬进行说明。 1 ，开通损耗 在主功率丹关管是零电流开通的情况下，开通瞬问的损耗可以表示为( 单位：焦耳) = 簪 ( 2 _ 2 6 ) 其中：k 表示输出电压大小： ，。表示m o s f e t 删i b j ： 上表示软开关环节中的电感感量。 2 ，关断损耗 吸收环节中电容对丌关管关断时损耗的效应可以用下面的模型来表示： - ( 器- c r 睁警峨吼 w ! m 一? 当c ”i r ，。g c a g + c b ，( 2 - 2 7 ) yn i 口 其中：r 。表示门级驱动电阻： c 出表示门级和栅极寄生电容： 。表示门级平台电压； 形表示储存在开关管中的能量，如果采用零电压丌通技术，那么这部分能 量将会被俄复；c r 表示吸收环节中的电容，当其值足够大的时候，关断损耗 将大大降低并接近于零。 9 一种最小屯胜应力的无源光损软开关投术 i ) | 究 3 ，内部电容损耗 如果没有采用零电压丌通技术，那么聚集在m o s f e t 内部电容h f f , j 乜荷将会损失掉。 这部分损耗可以表示为： w ：矿；巳p ? ；( 2 - 2 8 ) 其中c d , 表示开关管关断时漏源极之间的等效电容值。 4 ，通念损耗 m o s f e t 导通后可以用一个有恒定电阻值的电阻来代替，那么通态损耗的计算就可以 按照计算电阻功率损耗的方法来进行。 用公式可以表示为：暖。= j 一一r 。l = d ( 2 2 9 ) 其中：r 。表示通态电阻； fm ”表示一个周期内开关管的丌通时间： 表示流过开关管的电流。 5 ，无源无损方法波形表示 下图表示采用无源无损软开关技术时，功率m o s f e t 在开通和关断瞬间以及通念 时的波形图。各个时间段可以和上面相应的损耗计算对应起来a 图中的实线表示d s 之 间的电压波形，虚线表示流过d s 之间的电流波形。由波形可以看到，采用无源无损技 术一般情况f 实现的是开关管的零电流开通和零电压关断。 t r a n s i e n t t o 。c o n d锄 ：互型： k 图2 - - 5 无源无损波形表示 v d s l d s 种最小电压应力的无源无损软开关技术研究 2 3 平均电流模式控制分析 2 3 i 基本原理 采用平均电流模式控制的电路工作原理图如下 图2 6 平均电流模式控制原理 省去外围的电压环，只对内部的电流环加以讨论。在上图中f 是由电压误差放大器 出来的电压控制信号，r 代表电感电流采样增益，蜀c ，c ，r ，和c e a 组成了电流误 差放大器和其补偿网络。 电压误差放大器输出和电流检测信号一起经过电流误差放大器放大和补偿，得出的 放大输出作为p w m 调制器的调制信号，和载波一起产生p w m 脉冲波形，控制开关管 的工作。这种控制方法中检测的是电感电流，和峰值控制方法中检测开关管的电流有所 不同。 2 3 2 小信号模型 平均电流模式和峰值电流模式的最大的区别在于盼者将电感电流通过电流误差放大 器和其补偿网络实现了平均，具体分析见下面。 1 ，调制器增益 在峰值电流模式控制中，调制器增益的表达式可以表示为： 1 = _ = 二i ( 2 3 0 ) 。( s 。+ s 。) l 、 一种最小电压应力的无源无损软开关技术研究 其中r 是外部锯齿波斜率，只是电感电流上升时削斜军，? ：是开关剧剐6 在平均电流模式中由于引入了电流误差放大器和其补偿网络，所以电感电流波形经 过这个网络以后有所变化，此时的电感电流上升斜率可以表示为： s ：q s 。【d t + ( 上一上) ( 1 - - e - m p 。) 】 ( 2 3 1 ) 国。 其中：q 2 丽i 1 面 吐。可i = 丽c t i , + c t ： 调制器增益可以表示为：2 西j 去两 图2 7 平均电流模式控制增益 ( 2 - 3 2 ) 2 ，采样增益 从小信号的角度来看，电流环表现出了采样系统的特性。在峰值电流模式时这种采 样效应可以近似用一个采样增益来表示，该增益在开关频率一半处有两个右半平面零 点。 州加t + 壶+ 虿s 2 q ：= 一；2 ，山。= 三t7 r ( 2 3 3 ) 一种最小电压应力的无源无损软开关技术研究 在平均电流模式中，电流环中放置了积分器超前滞后网络。零点通常放置在功率电 路固有谐振频率之前以确保电流环的稳定性，这样积分器的相移在开关频率一半处就被 该零点抵消掉了。电流环中的第二个极点的作用是消除高频噪声，它的位置应该放置在 丌关频率一半之后。通过这种做法，那么电流环的采样特性和峰值电流模式下几乎是 样的，所以采样增益可以使用上面的表达式。 3 ，反馈和前向增益 平均电流模式的小信号模型可以表示为： 图2 8 平均电流模式控制小信号模型 其中k ，和k ，分别表示输入电压和输出电压对占空比的影响。 参考图2 1 2 可以得到： v 。= v 。一g 。( s ) ( r ，i l v ，) 其中q ( s ) 是电流误差放大器传递函数，k 是电流误差放大器输出。 如果考虑平均值，则有： = v 。一k ( r 。 一v 。) r 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ， 电流补偿器输出和电感电流的平均值，k 是电流补偿器直流增益。 种最小电压应力的无源无损软开关技术研究 一z i 广 图2 9 平均化模型 由上图可以得到下面的表达式： = s ，。+ 圭v 。 ( 2 3 6 ) 将此式代入上式可以得到：k ( r 一v 。) ：叱一s 。f 。一昙v 。( 2 - 3 7 ) 这个关系式给出了电感电流平均值和输入输出电压之间的关系。通过在静态工作点 处增加扰动就可以得到反馈和前向系数。 一种最小电压应力的无源无损软开差技术研究 第三章仿真分析和数学模型 3 1 功率电路小信号模型 小信号模型对于深刻理解变换器的工作过程具有非常重要的作用，而且通过小信号 模型可以求出一系列需要的传递函数，对于设计控制电路具有指导作用。本文的实验平 台是有源功率因数校正电路，在没有增加软开关环节之前，功率电路部分是一个b o o s t 电路，其小信号模型的构建过程如下： 3 1 1 电路平均化 考虑下面的基本b o o s t 电路结构 图3 一lb o o s t 电路 根据电路工作特点，开关管s 和续流二极管d 实际上组成了一个开关网络，如果将 将它们单独拿出来考虑，可以得到下面的网络结构： 一 图3 2 开关网络 假设f ( ，) ，i 2 ( f ) 分别是流入和流出该开关网络的电流，v l ( r ) ，v z ( f ) 是加在该开关网络 两个端口的电压。那么上面的b o o s t 电路可以用开关网络等效为： 一种最小电压戍力的无源无损软开关技术研究 厂 卜中朋i i 扎争 图3 3 开关嗍络罨放电路 假设开关管工作的占空比为d ，开关周期为t ，那么有下面的关系式成立： 归，扔o t d 如t s q 【”2 1 “，)扔 ， 如 ：m 1 00 “ d t s i f o 卜)扔 f 。= 去f “。州彬r “ 。：d ( ，) 。 其中d 。= 1 一d ，这样可以得到大信号平均化模型为 厂一 卜r ( i n ：。夸j 图3 4 大信号平均模型 3 。1 2 增加扰动线性化 为线性化模型，通常采用的做法是在电路的静态丁作点处增加扰动，具体做法如下 设在静态工作点处，电路参数为：咋- ，矿，k ，2 ，d ，d = i d ； 相应的小信号扰动为：唯( ) ，f ( ，) ，v ( o ，v l ( f ) rf ：( 玲，攻f ) 。 则有： 一种强小电胜脚力的光源尤损软开关技术研x n 2 圪+ y g ( f ) ； n = ( r ) ) 矗= ，+ f ( f ) ； n = 雎= v + v ( ，) n = k + v 1 ( f ) ； n = 1 2 + i 2 ( f ) ； d “) = d + d ( t ) id(，)=d一d(t)(35) 将上面这些表达式代入平均化模型中可以得到： ( d d ( ，) ) ( y + v ( f ) ) = d ( 矿+ v o ) ) 一v d ( t ) 一d ( r ) v ( f )( 3 6 ) ( d 一d ( f ) ) ( ，+ f ( f ) ) = d 。( ，+ f o ) ) 一i d ( t ) 一d ( t ) i ( t )( 3 - 7 ) 假设交流变量和静态工作点的值相比较非常小，则电压和电流的高阶分量可以忽 略。上面两个式子可以简化为： ( d 一矗( ，) ) ( y + v ( ，) ) = d ( 矿+ v ( o ) - v d p )( 3 8 ) ( d 一d ( ，) ) ( ，+ f ( f ) ) = d ( ，+ f ( ，) ) 一i d ( t )( 3 9 ) 由上面两个式子可以看到，后一项由控制信号所驱动，故可以用一个独立的电压源 和独立的电流源表示；前一项则可以用受控电压源和电流源东表示。 经过上面的分析，电路的线性化平均模型可以表示为： e v d ( o 吒+ 0 ) 卜“中也) ) ( ) ，粕( ) 三鲥f 图3 5 线性化模型 如果采用理悠变压器( d ：1 ) 代替受控电压源和电流源，则电路等效为 一种最小电艟心力的光源尤损软开关挫术蚪冗 + v j ( f ) t t d ( t )d 1 1 1 巅k ) 三缸) 图3 6线性化等效模型 将此电路模型和原b o o s t 电路的结构相比较： 矿d ( f ) d 1 图3 7 小信号开关阿络 通过比较可以发现。开关网络有两个作用： 1 ，传送电流，电压，按照变比d ：1 ； 2 ，通过控制信号d ( r ) 将交流电压，交流电流变动引入变换器。 通过以上分析表明，为了得到交流小信号模型，只需要将开关网络用其平均模型代 登即叮，这个过程叫做“平均化开关模型”。去掉直流分量，得到的交流小信号模型： 矿d ( f ) v j 0 ) p1 。k ) ，二( ) ( ) 二引 图3 8 交流小信号模型 有了这个小信号模型就可以进行求出不同