（电力电子与电力传动专业论文）boost型功率变流器有源软开关拓扑技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 开通和零电压关断，并且辅助开关管实现了零电流开通，其关断特性也得到改善。实 验结果验证了该软开关电路的有效性。 关键词：b o o s t ：软开关；零电压；简化；三电平 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yp r e s e m so n eo ft h ed i r e c t i o n sf o rp o w e re l e c t r o n i c s i ti s u s e dt or e d u c es w i t c h i n gl o s s e sa n de m i ，w h i c hp l a y sm o r ea n dm o l ei m p o r t a n tr o l ew i t h t h ei n c r e a s eo f p o w e rc o n v e r s i o na n df r e q u e n c y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ea c t i v es o rs w i t c h i n gb o o s tc i r c u i ta n dp r o p o s e s s e v e r a ls i m p l i f i e ds o f ts w i t c h i n gt o p o l o g i e sf o rb o o s tc i r c u i t s a na c t i v es o f ts w i t c h i n gc i r c u i tb a s e do ni n t e r l e a v i n gt w ob o o s tc o n v e r t e r sa n d a d d i n gt w os i m p l ea u x i l i a r yc o m m u t a t i o nc i r c u i t s i s p r o p o s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a li n t e r l e a v e db o o s tc o n v e r t e r s ，t h em a i ns w i t c h e sa r ez c s a t t o m - o nt r a n s i t i o na n dz v sa tt u m - o f f t r a n s i t i o n t h ea d d e da u x i l i a r ys w i t c h e sd on o tc a u s e e x t r av o l t a g e so l lt h em a i ns w i t c h e sa n da l lz v t d u r i n gt h ew h o l es w i t c h i n gt r a n s i t i o n c o m p a r e dt ot h ep r e v i o u sp u b l i s h e ds o f ts w i t c h i n gi n t e r l e a v e db o o s tc o n v e r t e r s ，n oe x t r a i n d u c t o ri sn e e d e di nt h ea u x i l i a r yu n i t ，s ot h ea u x i l i a r yu n i ti ss i m p l e a1 2 k wp r o t o t y p e o f t h ec i r c u i ti sb u i l tt oc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ec o n v e r t e r t or e d u c et h en u m b e ro ft h ea u x i l i a r ys w i t c h e si nt h es o f ts w i t c h i n gt o p o l o g yf o rt h e i n t e r l e a v e db o o s tc o n v e r t e r , az c sp w ms w i t c h i n gc i r c u i ti sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n o n l yo n ea u x i l i a r ys w i t c hi su s e di nt h ea c t i v es o f ts w i t c h i n gc i r c u i t b yu s i n gt h i sz c s c o n v e r t e rt o p o l o g y , z e r oc u r r e n tt u r n o na n dz e r oc u r r e n tt u m o f f o f t h em a i ns w i t c h e sc a n b ea c h i e v e da n dt h er e v e r s e r e c o v e r yl o s so fb o o s td i o d ec a nb er e d u c e d i na d d i t i o n ，t h e a u x i l i a r ys w i t c h e sa r ez c sd u r i n gt h et u r n - o na n dt o m o f fs w i t c h i n gt r a n s i t i o n b u ti nt h i s s o rs w i t c h i n gc i r c u i t ，a ne x t r ar e s o n a n ti n d u c t o rs h o u l db eu s e da n dt h e r ei sav o l t a g e s p i k ea c r o s st h em a i ns w i t c ha n dt h em a i nd i o d e l i k e w i s e ，t or e d u c et h en u m b e ro ft h ea u x i l i a r ys w i t c h e si nt h es o f ts w i t c h i n g t o p o l o g yf o rt h et h r e el e v e lb o o s tc o n v e r t e r , as o f ts w i t c h i n gc e l lo ft h r e e l e v e lb o o s t c o n v e r t e rf o rp o w e rf a c t o rp r e r e g u l a t o ri sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sc i r c u i th a s b e e na d d e dw i t ht w oa u x i l i a r yd i o d e ss ot h a to n eo ft h ea u x i l i a r ya c t i v es w i t c hc a nb e r e d u c e d u s i n gt h i sp r o p o s e ds o rs w i t c h i n gc e l l ，af u l l ys o f t s w i t c h e de x t e n d e d p e r i o d q u a s i - r e s o n a n tt h r e e - l e v e lb o o s tc o n v e r t e rf o rp f c c i r c u i tc a nb eo b t a i n e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta l lo f t h es e m i c o n d u c t o r sa c h i e v es o f ts w i t c h i n g a p p l y i n gt h ep r o p o s e d s o f ts w i t c h i n gc e l la g a i n ，as i m p l i f i e dz v t - p w mt h r e e l e v e lb o o s tc o n v e r t e rf o rp f c c i r c u i tc a nb eo b t a i n e d a l t h o u g ho n l yo n ea u x i l i a r ys w i t c hi su s e d ，t h em a i ns w i t c h e sa n d d i o d e sa r ea l lz v t b u tt h ea u x i l i a r ys w i t c hi ss t i l lh a r ds w i t c h i n gw h e ni ti st u r n e do f f t o s o l v et h i sp r o b l e m ，a ni m p r o v e dz v t - p w mt h r e el e v e lb o o s tc o n v e r t c ri sp r o p o s e di nt h e ；“ 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t d i s s e r t a t i o n 1 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ep r o p o s e da c t i v es n u b b e rc e l l a l l t h em a i ns w i t c h e sa n dd i o d e sa r ez e r ov o l t a g et a m - o na n dz e r ov o l t a g et u r n - o f f w h a t s m o r e ，t h ea u x i l i a r ys w i t c hi sz c st u r n - o na n dn e a r l yz v st a m - o f f a n dt h ev o l t a g es t r e s s o f t h es w i t c h e si sa l s oh a l f o f t h eo u t p u tv o l t a g e i nt h el a s tc h a p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n a na c t i v ez v ts o f ts w i t c h i n gt o p o l o g yf o rt h e b r i d g e l e s sb o o s tp f cc o n v e r t e ri sp r o p o s e d i nt h i sc o n v e r t e r , a l lo ft h es w i t c h e sa n d d i o d e sa c h i e v es o f ts w i t c h i n g , s ot h es w i t c h i n gl o s s e so f t h ec o n v e r t e ra r er e d u c e d w h a t s m o r e ，o n l yo n ea u x i l i a r ys w i t c hi su s e d k e yw o r d s ：b o o s t ；ns w i t c h i n g ；z e r ov o l t a g e ；s i m p l i f y ；t h r e el e v e l 浙江大学博士学位论文第1 章 第1 章绪论 本章总结和回顾了单相b o o s t 型软开关电路的发展历史及其研究现状，系统介绍 了各类型b o o s t 软开关电路，阐明了软开关技术的研究目的和意义。在此基础上，概 述了本文的主要研究内容和研究成果。 1 1 引言 随着电力电子技术的发展，电力电子装置应用范围日益广泛，几乎涉及从发电、 储电、输电到用电的所有电能应用领域。由于不控整流器在电力电子装置中的大量使 用，各种谐波对电网的污染变得非常严重，成为电力公害【1 8 。 为了减少电力电子装置对交流电网的谐波污染，世界各国和i e e e 等国际组织先 后推出了一些限制电流谐波的标准，如i e c6 1 0 0 0 3 2 ，i e e e 5 1 9 等，要求交流输入 电源必须采取措施降低电流谐波含量。 解决电力电子装置谐波污染的主要途径有两条：一是对电网实施谐波补偿；二是 对电力电子装置自身进行改进。针对电网实施谐波补偿相对而言是一种比较被动的方 法，而后者电力电子装置自身实现了清除或降低电力电子装置所产生的谐波污染，因 此在中小功率等级的电力电子装置中得到了广泛应用 6 1 。由于传统的无源滤波器的体 积和重量大，功率因数提高有限，因此，功率因数校正( p f c ) 电路的拓扑结构和控 制技术的研究，就成为近年来电力电子技术领域的研究热点。 电力电子装置的高频化是电力电子学一直追求的目标，这样可以减小装置的体积 和重量，提高变流器的功率密度。但由于功率器件的非理想特性，功率器件在电压不 为零的情况下开通，在电流不为零的情况下关断，工作在硬开关状态( h a r ds w i t c h i n g ) 。 随着开关频率的提高，功率器件的开关损耗问题会成为一个日益突出的矛盾。在硬开 关条件下，功率器件的开关频率越高，其开关损耗也越大，从而导致变流器的效率下 降，发热量增大，温升提高，这反过来又阻碍了开关频率的提高。另外，随着器件开 关频率的提高，电路中的电压和电流的变化率也增大，给电路带来了严重的电磁干扰， 影响周边电子设备的正常工作。为了克服p w m 变流器在硬开关状态下工作的诸多问 题，软开关技术应运而生，它成为降低器件开关损耗，提高电路效率以及改善电路 e m i 问题的一个重要手段“j 。 在单相p f c 中，b o o s t 电路因其输入电流连续，主电路拓扑结构简单，变换效率 高，控制策略容易实现等特点，在工业界得到了广泛运用。随着变流器功率等级的增 加，传统的单开关b o o s t 电路无法满足要求。为此，研究者们提出了各种解决方案， 如交错并联b o o s t 电路，三电平b o o s t 电路，无输入整流桥b o o s t 电路等。 浙江大学博士学位论文第l 章 1 , 2 硬开关b o o s t 电路及其相关拓扑 随着变流器功率等级的增加，变流器通常需要并联3 1 。在输入大电流的场合， 常常使用交错并联技术，如图1 1 所示。交错并联技术通常是用两个或两个以上的基 本变流器并联工作，这些变流器的开关运行在交错状态，如电路由n 个变流器组成， 开关周期为t ，则每个变流器的开通时间依次滞后t n ，并且每个开关的周期和占空 比相同，从而使得这些变流器的输入电流交错开来，从而减小了输入电流纹波的幅值 和提高了输入电流纹波的频率。采用交错并联b o o s t 电路的好处是，可以减小输入电 流纹波和降低开关损耗，从而提高了变流器效率，达到不降低电路效率的条件下实现 电路的高功率密度。其不足之处是增加了电路的复杂度，需要考虑两路b o o s t 电路的 均流问题，导致了成本的增加和可靠性的降低【9 。 图1 1交错并联b o o s t 变流器 在交流2 2 0 v 输入下，b o o s t 输出电压通常控制在4 0 0 v 左右。在输入电压不变的 情况下，若希望有更高的输出电压，这意味着b o o s t 电路中的功率器件需要承受4 0 0 v 以上的电压应力。这样，一方面器件的开关损耗和导通损耗将增加；另一方面，器件 的选择比较困难。在目前的工艺水平下，高耐压的功率m o s f e t 的导通压降远大于 低压m o s f e t 的导通压降。三电平b o o s t 电路为解决上述问题提供了一个很好的方 法，如图1 2 所示【l 牝1 1 。三电平b o o s t 电路具有以下优点： 1 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下的两电平变流器相同的输出电压波 形，因而减小了开关损耗，提高了功率变流器的效率。 2 较之两电平变流器，电路中的d v d t 应力大为减少，从而可以有效的降低电路的 电磁干扰( e m i ) 。 3 可以选用低耐压的功率开关管，从而可以减少变流器的导通损耗。 2 浙江大学博士学位论文第l 章 图1 2 三电平b o o s t 变流器 当然，三电平b o o s t 交流器也存在一些问题，限制了其应用场合。同单开关b o o s t 电路相比，三电平b o o s t 电路增加了一个主功率开关管，控制也较单开关b o o s t 电路 复杂，其输出需考虑中点电位的平衡。 传统的单相功率因数校正电路由二极管整流桥电路和b o o s t 升压电路构成，如图 1 3 所示。因为b o o s t 电路的电感电流连续，因此b o o s t 电路可以获得较高的功率因 数。由图1 3 可知，在任一时刻，电路中总有三个半导体器件处于工作状态，二极管 整流桥中总有两个二极管处于导通状态，而b o o s t 电路的主开关管和续流二极管处于 互补导通状态。这也就是说系统的导通损耗由下面两部分组成：一、二极管整流桥中 两个二极管的导通损耗。二、b o o s t 电路中主开关管或续流二极管的导通损耗。随着 变流器功率等级的提高，系统的导通损耗也随之增加，电路效率也随之降低。为了解 决这一问题，文献 2 2 1 提出了一种基于b o o s t 电路的低导通损耗的无输入整流桥的 v - i ，r l j d i l 一l 净 - i = 一 一吾丰 仁 一l ji s l u 图1 3传统单管b o o s t p f c 电路 浙江大学博士学位论文第l 章 b o o s t 电路，如图1 4 所示。由图1 4 可见，交流输入端不需经过二极管整流桥电路 而是通过电感直接加在变流器的输入端。在电路工作的任一时刻，仅有两个功率半导 体器件导通，对于输入交流工频正半周而言，通过主开关管s 1 和主开关管s 2 的反 并二极管的导通，电感实现储能；当主开关管s l 关断时，电感电流通过续流二极管 d l 和主开关管s 2 的反并二极管来续流。对于输入交流负半周而言，通过主开关管 s 2 和主开关管s l 的反并二极管的导通，电感实现储能；当主开关管s 2 关断时，电 感电流通过续流二极管1 3 2 和主开关管s 1 的反并二极管来续流。在该电路中，主开 关管s l 、s 2 的驱动信号可以是相同的，两个开关管同时导通和关断。但是在半个工 频周期中，其实仅有一个主开关管是在工作的，另外一个主开关管是不工作的，仅仅 是其反并二极管处于一直导通状态，虽然这时有门极驱动信号给出，但并不影响电路 的工作状态。较传统的单管b o o s tp f c 电路，无输入整流桥b o o s tp f c 电路中的导通 器件要少，从而降低了系统的导通损耗。其缺点是与单开关b o o s t 电路相比，多了一 个主开关管，这意味着驱动电路的增加和控制电路的复杂。另外该变流器会产生共模 干扰口3 1 。 1 3 软开关技术 图1 4无输入整流桥b o o s tp f c 交流器 众所周知，由于功率开关器件的非理想特性，功率器件在电压不为零下开通，在 电流不为零的情况下关断，这种被称为“硬开关”的工作状态。在硬开关状态下，功 率器件的开关损耗由两部分组成。一是由负载决定的开关损耗；二是由功率器件寄生 电容引起的开关损耗。 浙江大学博士学位论文第l 章 开关器件在开通和关断过程的损耗取决于其负载是感性还是阻性，同时还取决于 其续流功率二极管的特性。为了分析简便，假定开关过程中，开关电压和电流波形是 线性上升或线性下降的。 图1 5 给出了在阻性负载条件下，主功率管的电路拓扑。图1 6 给出了主功率管 在阻性负载条件下的电压电流开关波形( 这里忽略了二极管的反向恢复损耗) 。由图可 知，当开关管导通时，其导通电压为： ， 屹( f ) = ( 1 一二) ( 1 1 ) l ， 其中h = t o ，在此开关过程中，开关器件的电流等于流经阻性负载的电流： 图1 5 阻性负载 图1 6阻性负载下开关管电压电流开关波形 浙江大学博士学位论文第l 章 = 警= 去， m z ， 由( 1 1 ) 、( 1 2 ) 式可知，开关器件在开通过程的瞬时损耗功率为： 只= 等扣旁 m ， 将式( 1 3 ) 积分可得开关管开通过程的能量损耗： 形= k = 等鲁 m句0 形= 仁西= 肇一- 鲁 ( 1 4 ) 1 y ” 。开关管关断过程的能量损耗同开通过程类似，只要令式( 1 4 ) 中的t s = t o f f 即可。 图1 7 给出了b o o s t 变流器的拓扑电路图。在该电路中，由于电感元件的存在， 开关器件开通关断过程同开关器件带感性负载下的开关过程是类似的，其波形图如图 1 8 所示。由图可知在感性负载下，开关器件的开关损耗大于在阻性负载下的开关损 耗。假定b o o s t 变流器工作在电流连续模式，并且电感电流，恒定。和阻性负载下的 开关管的开关过程不同的是，当开关管开通时，开关管两端的电压被筘至输出电压直 到开关管电流等于电感电流。这时二极管电流降至零转为关断状态，与此同时开关管 两端电压开始下降。当开关管关断时，开关管电流一直等于电感电流直到开关管的两 端电压升至输出电压。因为二极管只有在正偏压的情况下才开通，这时开关管电流开 始下降，二极管电流开始上升。在此开关过程中，开关管开通或关断过程的能量损耗 为： 图1 7b o o s t 变流器 浙江大学博士学位论文第1 章 魄 图1 8感性负载下开关管的电压电流开关波形 形= 1 只西= 詈 ( 1 5 ) ； 二 其中，s - r 蛐( 开关管开通时) ，f s _ 栅( 开关管关断时) 。 由( 1 5 ) 可知，对于同样的t 。，感性负载- 卜的能量损耗是阻性负载下的能量损耗的 3 倍。必须注意到上面的推导过程均仅是在假定二极管为理想二极管的前提下方成 立。当考虑二极管为非理想二极管时，开关管的开通过程的开通损耗将大大增加，这 是由于二极管反向恢复电流带来了反向恢复损耗。 p n 结功率二极管在传导正向电流时都将以少子形式储存电荷，少子注入是电导 调制的机理，它可以降低二极管的正向导通压降。当二极管关断时，由于导通时在 p n 结区有大量的少子，存储电荷在电场的作用下被抽出或被复合，这样便产生一个 反向电流。反向恢复电流的大小取决于二极管关断前的电流大小以及开关管开通过程 的d i d t 。当二极管正向导通电流增大或者开关管开通过程的d i d t 增大，二极管的反 向恢复电流也随之增大。在硬开关电路中，二极管的反向恢复电流大小往往大于开关 管实际电流大小，由此开关管的开通损耗将大大增加。考虑二极管的反向恢复电流后， 开关管开通过程的电流波形如图1 9 所示。图1 9 中的i r m 为二极管的反向恢复电流。 在开关管关断时，开关管的寄生电容上的两端电压为开关管的关断电压。当开关 管开通时，其寄生电容上的能量将通过开关管释放掉。对于m o s f e t 而言，其寄生 电容较大，工作在高频和高压下，寄生电容所带来的能量损耗也相当可观。由开关寄 生电容所带来的能量损耗为： 1 w o ：= e 2 ( 1 6 ) z 为了克服p w m 变流器在硬开关状态下的诸多问题，软开关技术应运而生。软开 关技术的目的是减小变流器的开关损耗以及抑制电路的e m i 。通过在原来的开关电路 中增加很小的电感、电容等谐振组件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振 过程，使得开关器件在开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，这样就消除了 浙江大学博士学位论文第1 章 图i 9考虑二极管反向恢复电流的开关管开通波形 开关器件在开关过程中的电压、电流的重迭，降低了它们的变化率，从而大大减少了 开关损耗和e m i ，达到软开关的目的。 按工作方式分，软开关技术分为无源软开关和有源软开关两大类。无源软开关技 术是在硬开关电路中增加无源组件，达到软开关的目的。而有源软开关技术是在硬开 关电路中通过增加辅助有源开关管，实现主功率开关管的软开关。对无源软开关技术 而言，由于无源组件的自身限制，仅能实现主开关管的零电压关断和零电流开通。而 有源软开关技术，由于辅助开关的可控性，可以实现主开关管的零电压，零电流开通， 零电压零电流关断 2 4 - 2 6 1 。 理想软开关状态如图1 1 0 所示。无源软开关技术起源于为吸收功率器件开关过 程的浪涌电压和浪涌电流而设计的吸收电路( s n u b b e r ) 。即在主开关所在回路中用一 容性支路与其并联，利用电容两端电压不能突变的特性在开关管关断期间为其提供一 条分流路径，避免开关管同时承受高压，实现关断的软化。与之对偶，用一感性组件 与主开关串联，利用电感电流不能突变的特性限制开关管开通电流的变化，从而改善 开关管的开通特性。而无源软开关技术的基本思路和关键就在于处理吸收储能组件中 的能量，将其回馈电源或和负载，从而消除开关管的损耗问题，使得开关管近似于 在零电流下开通，在零电压下关断，达到软开关目的【2 7 - 4 0 i 。 图1 1 0 软开关理想开关过程 浙江大学博士学位论文第l 章 而有源软开关技术，是在原有的主电路结构中，附加一些有源辅助开关器件和电 感、电容等无源组件，通过适当的检测和对辅助开关的时序控制，软化功率器件的开 关过程，实现软开关的功能。由于有源软开关中辅助开关管的可控性，有源软开关能 消除主开关管的开通关断损耗，以及开关管寄生电容所带来的自身损耗，解决二极管 的反向恢复问题。而无源软开关无法消除开关管寄生电容所带来的损耗，也无法实现 对电流拖尾型器件i g b t 的零电流关断。由于无源软开关的这些局限性，有源软开关 技术成为重要的研究方向。 1 4 软开关b o o s t 电路综述 由前可知，b o o s t 电路由于其自身优点，在工业界得到了广泛应用。为了提高b o o s t 电路的工作效率，进一步提高其工作频率，研究者们提出了诸多b o o s t 软开关电路拓 扑，下面对各种b o o s t 软开关电路拓扑进行论述。 1 4 1 无源软开关拓扑 无源软开关技术无需附加有源开关器件，因而系统控制较有源软开关系统要简 单，但其换流过程相对比较复杂。并且，因为附加无源网络的不可控性，一旦无源器 件的参数确定，软开关过程必然受到负载大小的影响，同时其工作频率范围、附加应 力也会受到无源组件参数的约束】。尽管如此，由于无源软开关的控制相对简单， 还是受到相当的青睐。 1 4 1 1带耦合电敷的抑制二极管反向恢复电路 为抑制功率二极管的反向恢复电流所带来的反向恢复损耗，文献【4 2 】和文献 4 3 】 提出了采用耦合电感来抑制二极管的反向恢复电流的电路，如图1 1 1 所示。 其工作原理是在开关关断后，电感电流通过d 0 向负载续流的过程中，由于耦合 电感的作用，二极管d o 上的电流转移n - - 极管风上。在主开关管再次开通前，二极 管d 0 已经关断，这样二极管d o 的反向恢复问题得到了解决。而主开关管再次导通时， 由于耦合电感漏感的存在，二极管d a 的反向恢复电流得到了抑制，并且主开关管也 是零电流开通。此电路的缺点是二极管d a 的寄生电容会和耦合电感发生寄生振荡， 为此需要在d a 上并上一个r c d 吸收电路，这会带来一定的损耗。并且在该电路中， 辅助二极管d a 会承受较高的电压应力。另外该电路也不能解决主开关管寄生电容自 身所带来的损耗问题。 浙江大学博士学位论文第1 章 n r ( n 1 ) 图1 1 l 带耦合电感的抑制二极管反向恢复电路 1 a 1 2 无源无损软开关电路 文献【2 7 ，2 8 ，3 0 以b o o s t 电路为研究对象，对无源无损器件特性进行了分析，结 合图论，用电路综合的方法提出了可能构成的开关器件无源无损软开关电路，最后将 电路简化合并而获得两大系列无源软开关基本单元：无最小电压应力( n o n - m v s ) 和有最小电压应力m v s 基本单元。图1 1 2 为文献【2 7 】所讨论的一种无源无损软开关 电路。 该电路由个谐振电感厶，一个谐振电容c r ，一个储能电容c s 和三个二极管d r 卜 d a 、d r 3 组成。电感厶和电容c r 、g 之间的谐振实现了开关管的零电流开通和开关 图1 1 2b o o s t 无源无损软开关电路 1 0 浙扛大学博士学位论文第l 章 管的零电压关断，以及续流二极管的零电流关断和零电流开通。与此同时，每个开关 周期c s 储存谐振能量，并最终将其转移至负载。该电路能大大抑制二极管的反向恢 复电流，其缺点是在该电路中主二极管d 在关断期间将承受一定的额外电压应力。 在三电平b o o s t 电路中，尽管主开关管的电压应力减小了，二极管的反向恢复特 性较两电平b o o s t 电路要为之改善，但功率器件仍工作在硬开关状态。文献【4 4 】提出 了三电平b o o s t 无源无损软开关电路，该软开关电路实现了主开关的零电流开通和零 电压关断，解决了二极管的反向恢复问题，具体如图1 1 3 所示。在该软开关电路中， 同样存在续流二极管需承受额外电压应力的问题。由文献1 4 4 1 知，该软开关的引入并 无影响三电平电路的控制。 图1 1 3 三电平无源无损软开关电路 文献 4 5 1 提出了一种无输入整流桥b o o s tp f c 电路的无源无损软开关拓扑，如图 1 1 4 所示。由图1 1 4 可知，该电路实际上是单开关b o o s t 无源无损电路在无输入整 流桥b o o s tp f c 电路中的拓展，该电路巧妙利用了无输入整流桥b o o s tp f c 电路的 工作特点( 即在半个工频周期中，仅有一个有源开关管工作，而另外一个有源开关管 始终处于不工作状态，其反并二极管始终处于导通状态) ，使得两个有源开关共享了 缓冲电感厶和储能电容c b ，从而简化了软开关拓扑。尽管该电路最大限度的利用了 公共无源器件，但是所用的无源器件还是较多，结构较复杂。 浙江大学博士学位论文第1 章 v 图1 1 4 无输入整流桥无源无损b o o s tp f c 电路 1 4 2 有源软开关电路 有源软开关技术自问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开 关电路，直到目前为止，新型的软开关电路拓扑仍在不断出现【舶】。 1 4 2 1 z 、呵软开关电路 z v t p w m 变流器的基本思路是为了实现主开关管的零电压关断，通常将一缓冲 电容与主开关并联，用来限制主开关管上的电压上升率。通过辅助开关的作用，在主 开关管开通之前将缓冲电容上的电荷放至零，从而实现主开关管的零电压开通。当主 开关零电压开通后，辅助电路停止工作。 文献【4 7 】提出了零电压转换( z v t ) 软开关电路，如图i 1 5 所示。该电路中， 辅助开关s 。超前于主开关s 开通，通过电容c r 与谐振电感上r 的谐振，实现了主开关 的零电压开通。当主开关开通后，辅助开关关断。在该电路中主开关是零电压开通和 零电压关断的，续流二极管也实现了零电压开通和零电压关断。辅助开关管虽然开通 近似于零电流开通，但是其关断仍处于硬开关状态。并且，谐振电感上的能量转移较 为困难。另外，在这个电路中，还存在着辅助开关的寄生电容和谐振电感之间的寄生 振荡。为了解决辅助开关管的硬开关问题，研究者们提出了诸多解决方法【4 8 。5 8 1 。 浙江大学博士学位论文第1 章 r 1 1! d r 。 壬 - l i z p i si = 2 ：c rs 。i = 孑 一 - - - - - - - j lj l 图1 1 5z v tb o o s t 软开关电路 文献【4 9 】提出了一种改进型z v t b o o s t 软开关电路，如图1 1 6 所示。该电路中， 主开关实现了零电压开通和零电压关断。缓冲电容c s 的引入改善了辅助开关s 。的关 断；当辅助开关管s 。关断时，c s 吸收存储谐振电感厶上的能量，并在主开关管关断 时，将此能量转移至负载。而图1 1 5 所示电路无法解决这一问题。 文献 5 3 1 提出了另外一种改进型z v tb o o s t 软开关电路，如图1 1 7 所示。该电 路不仅实现了主开关的零电压开通和关断，续流二极管的零电压开通和关断，其辅助 开关也实现了零电流开通和零电流关断。辅助开关网络的引入不会导致辅助开关管的 一r 宁c i d r ，童 c ：= i f l-lil-l1 昔一昌幸 r ir i = 卜j c r s 。靠 。l j 图1 ，1 6 改进型z v t b o o s t 电路之 浙江大学博士学位论文第l 章 寄生电容同缓冲电感的谐振。辅助变压器t r 的作用是为缓冲电感厶产生一个复位电 压，使得厶上的电流在辅助开关管关断前降为零，从而实现了辅助开关管的零电流 关断。该电路的缺点是使用了较多的组件，采用辅助变压器也增加了变流器的体积和 重量。 图1 1 7 改进型z v tb o o s t 电路之二 1 4 2 2z c t 软开关电路 对于i g b t 器件而言，由于其关断时存在着电流拖尾现象，因此i g b t 的关断最 好能工作在零电流关断状态，这样变流器效率能进一步提高。 z c t 变流器的基本思路是通过控制辅助开关管，在主开关管关断之前工作，使 主开关管的电流减小到零，从而实现主开关管的零电流关断。当主开关零电流关断后， 辅助开关管也随之停止工作。 文献【5 9 】提出了零电流软开关电路，如图1 1 8 所示。辅助开关管s 。在主开关管 关断前先导通，谐振电容c r 与谐振电感厶谐振，使得主开关管的反并二极管导通， 从而实现了主开关管的零电流关断。主开关管的反并二极管关断后，辅助开关管s 。 关断，二极管d r 开通，为谐振电感厶提供能量释放回路。在该电路中，主开关管和 辅助开关管均为零电流关断，但是主开关管的开通过程仍是典型的硬开关过程。另外 该电路的续流二极管也不是工作在软开关状态，存在较严重的二极管反向恢复问题。 为了解决上述问题，文献 6 0 6 3 提出了各自的解决方案。 浙江大学博士学位论文 第1 章 圉1 1 8 零电流b o m t 软开关电路 文献【6 1 】提出了一种改进型的z c tb o o s t 软开关电路，如图1 1 9 所示。在主开 关关断前，辅助开关管s 。开通，谐振电容c ，与谐振电感厶谐振，主开关的反并二极 管导通，从而实现了主开关管的零电流关断。当主开关开通前，辅助开关管s 。再次 开通，谐振电容c r 与谐振电感厶谐振，流过续流二极管的电流逐渐减小到零，从而 大大抑制了二极管的反向恢复电流。谐振电流换向后，辅助开关管s 。的反并二极管 导通，实现了辅助开关管的零电流关断。其缺点是在一个开关周期中，辅助开关管要 开关两次，控制相当复杂。 图1 1 9 改进型z c t b o o s t 软开关电路之一 文献 6 3 】提出了另外一种改进型的z c tb o o s t 软开关电路，如图1 2 0 所示。有 源缓冲电路的引入保证了主功率器件的软开关。在该电路中，主开关实现了零电流关 浙扛大学博士学位论文第1 章 断，辅助开关管实现了零电压开通，并且二极管的关断是软关断，其反向恢复电流得 到了抑制，从而其反向恢复损耗大大减小了。但是该电路中，辅助开关管是硬开关关 断，而且由于谐振电感和续流二极管串联，会导致续流二极管承受额外的电压应力。 图1 2 0 改进型z c t b o o s t 软开关电路之二 1 4 2 3 z c s 软开关电路 z c s 工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使得主开关的电流在关 断前降为零或开通电流从零开始上升 6 2 ，“棚l 。 文献【6 5 】提出了一种z c sb o o s t 软开关电路，如图1 2 l 所示。主开关s l 开通后， 当通过主开关s 1 的电流增大至输入电流值时，二极管d i 、d 2 关断，电容g 反向充 电至输出电压。辅助开关s 2 开通后，电容c r 与谐振电感三1 2 谐振，直至电容c r 两端 电压降为零时，二极管d l 导通，电容c r 与电感厶l 、厶2 继续谐振，直到主开关s 1 和辅助开关s 2 的反并二极管开通，实现z c s 关断。 c r 图1 2 lz c sb o o s t 软开关电路 浙江大学博士学位论文第l 章 在该电路中，主开关s l 和辅助开关s 2 均实现了零电流开通和零电流关断，并 且两个二极管的反向恢复电流得到了抑制。不足之处是软开关的谐振回路要通过输出 端，这样会增大输出端的电压波动。另外，在该电路中，开关均要承受很高的电压应 力。 文献【6 6 】提出了另外一种b o o s tz c s 软开关电路，如图1 2 2 所示。在主开关s l 关断前，辅助开关s 2 开通。谐振电感厶与谐振电容g 开始谐振，当流经辅助开关 s 2 的谐振电流谐振至零时，d 2 导通，s 2 零电流自然关断。谐振电感厶与谐振电容 g 继续谐振，直到主开关s l 的反并二极管导通，实现主开关s l 的零电流关断。当 主开关s l 开通时，由于谐振电感厶的存在，实现了零电流开通。该电路的缺点是谐 振电感厶串联在输出回路中，并且谐振回路经过输出，这样会导致输出电压的波动。 另外，该电路中的开关器件也要承受较高的电压应力。 图1 2 2z c sb o o s t 软开关电路之二 1 4 2 4 扩展周期准谐振软开关电路 扩展周期准谐振软开关电路如图1 2 3 所示。s l 开通时，由于谐振缓冲电感厶 的存在，实现了s l 的零电流开通，同时抑制了续流二极管的反向恢复电流。续流二 极管关断后，谐振电容g 与谐振电感厶开始发生谐振，直至谐振电流降至输入电流。 当s 2 开通时，c r 与厶再次谐振，当厶谐振电流降至零时，s 1 的反并二极管导通， 从而实现了s l 的零电流关断，电容c r 的电压充电至输出电压时，续流二极管导通， s 2 实现了零电压关断。该电路的缺点是为了保证软开关的实现，需要较大的谐振电 流，从而导致开关管的电流应力较大。另外，续流二极管也将承受额外的电压应力。 浙江大学博士学位论文 第l 章 a 二 奉 = 图1 2 3 扩展周期准谐振软开关电路 1 4 2 5交错并联b o o s t 软开关电路 随着b o o s t 电路功率等级的增大，b o o s t 电路通常需要交错并联。尽管交错并联 b o o s t 电路有很多优点，但是其仍然工作在硬开关状态，在该电路中，二极管所带来 的反向恢复损耗问题仍然比较严重。 为了解决交错并联b o o s t 电路中的二极管反向恢复损耗问题，文献 6 9 1 分析了带 耦合电感的交错并联b o o s t 电路，如图1 2 4 所示。该电路的电感电流波形图如图1 2 5 所示。由图1 2 5 可知，在该电路中，两个主开关管s l 和s 2 交错工作，每个b o o s t 电路实际工作在电流断续状态，但是输入电流仍是连续的。由于每路b o o s t 电路工作 在d c m ，这使得主开关实现了零电流开通，续流二极管的反向恢复电流得到了大大 抑制。但是主开关管的关断仍然处于硬开关状态。 图1 2 4 带耦合电感的交错并联b o o s t 电路 1 8 浙江大学博士学位论文第1 章 s i s 2 t l b 芝妊# 聋j j t i1 2t 3 图1 2 5 带耦合电感的交错并联b o o s t 电路电流波形图 文献 7 0 1 提出了一种交错并联b o o s t 软开关电路，如图1 2 6 所示。在该电路中， 两个b o o s t 电路工作在临界断续模式，从而保证了主开关的零电流开通以及续流二极 管的软关断，解决了二极管的反向恢复损耗问题。在丰开关s l 关断前，辅助开关管 导通，谐振电容c r l 和谐振电感三，1 谐振，使得主开关s 1 的反并二极管导通，从而实 现了主开关管的零电流关断。在辅助开关管关断前，由于谐振电路的作用，辅助开关 管的反并二极管导通，辅助开关管实现了零电流关断。该电路的缺点是由于电路工作 在临界电流断续模式状态，其控制方式采取的是变频控制，这为电路的设计带来了一 定的困难。 图1 2 6 交错并联软开关电路 1 9 浙江大学博士学位论文 第1 章 1 4 2 6 三电平b o o s t 软开关电路 在三电平b o o s t 电路中，尽管主开关管的电压应力减小了，二极管的反向恢复特 性较两电平b o o s t 电路要大大改善，但功率器件仍工作在硬开关状态。前面已经讨论 了三电平b o o s t 电路的无源软开关拓扑，下面将论述三电平b o o s t 电路的有源软开关 拓扑。 文献【1 6 】提出了一种三电平b o o s t 软开关电路，如图1 2 7 所示。该电路实际上是 两