软开关技术的研究

软开关技术的研究

1准校正规律变化的解决技术软开关技术是降低开关损失、承受的耐压、电磁干燥，进一步提高开关频率的重要技术。它应用谐振原理,将PWM控制方式和谐振变换器结合起来,使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时,使器件关断(或电压为零时,使器件开通),从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题,而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。自上世纪70年代以来,各种软开关技术快速兴起。根据开关元件开通和关断时电压和电流的状态,软开关分为两大类:零电压开关(ZVS:ZeroVoltageSwitch)和零电流开关(ZCS:ZeroCurrenSwitch)。根据发展历程,开关电路分为:准谐振变换电路、零开关PWM变换电路和零转换PWM变换电路。2类dc-dc振幅变换器准谐振变换器(QRCs:Quasi-ResonantConverters)是20世纪80年代提出的一类DC-DC谐振变换器,是在原有变换器的拓扑结构上添加上谐振元件而形成的。在变换器工作的一个周期内,一部分时间谐振元件参与谐振,使功率开关管获得零电压或零电流开关条件,减小其开关损耗。根据谐振方式不同,准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器(ZVSQRCs)和零电流开关准谐振变换器(ZCSQRCs)。2.1座标系统vtp-ros-csc4种零电压开关准谐振变换器的拓扑如图1所示。以boost变换器为例,其工作的基本思想是:电感L1足够大,使输入侧为恒流源,电容C2足够大,使输出侧为恒压源。开关管导通时,谐振电容C1上的电压为零;开关管关断时,C1限制开关管上电压的上升率,实现零电压关断;开关管再导通时,L2和C1谐振,使C1上的电压回到零,实现零电压开通。其一个工作周期分为4个工作状态,如图2所示。其工作过程如下:(a)电容充电阶段[t0,t1]t0时刻之前,VTP导通,输入电流Ii经VTP续流,UC1=0。VD关断,iL2=0。在t0时刻,关断VTP,输入电流Ii从VTP转移到C1,给C1恒流充电,VTP实现零电压关断。在t1时刻,UC1上升到输出电压Vo,VD导通。(b)谐振阶段[t1,t2]t1时刻VD导通,L2与C1谐振工作,UC1从负电压上升到0时开通VTP,实现零电压开通。(c)电感放电阶段[t2,t3]VTP开通,输入电流Ii流经VTP,L2两端的电压为-Vo,iL2线性减小。t3时刻,iL2减小到0,VD关断。(d)自然续流阶段[t3,t4]t3时刻VD关断,输入电流Ii经过VTP续流。在t4时刻,VTP零电压关断,开始下一个开关周期。Boost型ZVSQRCs的相平面图和时域波形图如图3所示。在这种变换器中,可实现很大的谐振频率,但开关管的应力很大,它与实现ZVS的负载范围有关。2.2座标系统变换器4种零电流开关准谐振变换器拓扑如图4所示。以boost变换器为例,其一个工作周期分为4个工作状态,如图5所示。其工作过程如下:(a)电感充电阶段[t0,t1]t0时刻之前,VTP关断,续流二极管VD导通。在t0时刻,VTP零电流开通,给L1线性充电,当iL1上升到输入电流Ii时,VD关断。(b)谐振阶段[t1,t2]t1时刻VD关断,L1与C1谐振工作,iL1谐振到0时VTP零电流关断。(c)电容充电阶段[t2,t3]VTP关断,输入电流Ii给C1恒流充电,t3时刻UC1上升到输出电压Vo,VD导通。(d)自然续流阶段[t3,t4]t3时刻VD导通,输入电流Ii经过VD续流。在t4时刻,VTP零电流开通,开始下一个开关周期。Boost型ZCSQRCs的相平面图和时域波形图如图6所示。在这种变换器中,可实现很大的谐振频率,但开关管的应力很大,导通损耗也较大。另外,导通时间会受到负载大小和谐振频率的影响。3恒频控制的zvs-dm和zcs-gm电路及其控制技术准谐振技术能够减小开关的损耗,为了解决理想电力电子开关电路开关频率固定的问题,一种能实现恒频控制的ZVS-PWM和ZCS-PWM电路及其控制技术被提出。3.1正常值并出口的信号分析一种boost型ZVS-PWM变换器拓扑结构如图7,其一个工作周期分为5个工作状态,如图8所示。其工作过程如下:(a)电感充电阶段[t0,t1]t0时刻之前,主管S1和辅管S2关断,D1导通。在t0时刻,辅管S2导通,iLr电流线性上升到输入电流,D1关断。(b)谐振阶段[t1,t2]t1时刻D1关断,Cr、Lr谐振。t2时刻,Cr电压下正上负时,D3导通,谐振电流达到最大值,S2关断,同时使S1零电压开通。(c)换流阶段[t2,t3]t2时刻,使S2关断,由于Lr中电流不能突变,其端压瞬时反向使反并联的D2导通。S1上电流迅速线性上升,在t3时刻上升至输入电流,iLr为零,D2关断。(d)电容充电阶段[t3,t4]t3时刻,D2关断,同时使主管S1零电压关断,向Cr线性换流,对其充电,D3关断。t4时刻,Ucr达到输出电压,D1导通。(e)续流阶段[t4,t5]t4时刻D1导通,输入电流经主管D1续流,一个开关周期结束,等待下一周期辅管S1被触发。Boost型ZVS-PWM的时域波形图如图8(f)所示。在这种变换器中,可实现恒频率运行,电流应力比较小,但主管的电压应力较大,在轻载情况下可能失去ZVS条件。3.2正常值并配电并配一种ZCS-PWM变换器基本单元及其相应的5种零电流PWM变换器拓扑如图9所示。以boost变换器为例,其一个工作周期分为6个工作状态,如图10所示。工作过程如下:(a)电感放电阶段[t0,t1]t0时刻之前,主管S1关断,输入电流Ii流经Lin,D1,Lr,D2,和Vo。在t0时刻,S1零电流开通,Lr向输出线性放电,电流由Ii至0,D1,D2关断。(b)续流阶段[t1,t2]t1时刻D1,D2关断,输入电流Ii经主管S1续流。(c)谐振阶段[t2,t3]t2时刻,辅管S2零电流开通,Lr,Cr开始谐振。iLr为0时,D1导通。(d)谐振阶段[t3,t4]t3时刻D1导通,Lr,Cr经由S1回路继续谐振。iLr反向时,S2的反并联二极管导通。(e)谐振阶段[t4,t5]t4时刻,S2的反并联二极管导通,S2零电压、零电流关断。t5时刻,谐振电流iLr与输入电流Iin相等时,S1关断,S2的反并联二极管关断。(f)电容放电阶段[t5,t6]t5时刻开始,电容Cr线性放电至电压为0,D2导通,Cr被短路,回到初始状态,等待主管被触发开始下一周期。Boost型ZCS-PWM的时域波形图如图11所示。在这种变换器中,可实现恒频率运行,电压应力比较小,但二极管的电压应力较大,在重载情况下可能失去ZCS条件。4电源电压和负载电流不可选择由上述分析可知,ZVS-PWM和ZCS-PWM变换器已很接近理想特性,但它们的零开关条件和电源电压及负载电流的变化范围有关,在某些重载或轻载的特殊情况下可能失去零开关条件。为了解决这一问题,零电压转换(ZVT:ZeroVoltageTransition)和零电流转换(ZCT:ZeroCurrentTransition)软开关技术相应出现。4.1正常值控制板下各单元d0关断图12为基本的boost型ZVT-PWM变换器拓扑,其一个工作周期分为5个工作状态,如图13所示。其工作过程如下:(a)电感充电阶段[t0,t1]t0时刻之前,主管S1和辅管S2关断,D0导通,输入电流流经D0向负载供电。在t0时刻,触发辅管S2导通,iLr电流线性上升。t1时刻,iLr上升到输入电流,D0关断。(b)谐振阶段[t1,t2]t1时刻D0关断,Cr、Lr谐振。t2时刻,谐振电流达到最大值,Cr电压为零时,D1导通,此时使S1零电压开通。(c)放电阶段[t2,t3]t2时刻,使S2关断,由于Lr中电流不能突变,其端压瞬时反向并使D3导通,恒压放电。在t3时刻,谐振电感电流减小到输入电流时,D1关断,S1的电流迅速线性上升至输入电流,iLr为零,D3关断。(d)电容恒流充电阶段[t3,t4]t3时刻,D3关断,可使主管S1零电压关断,向谐振电容Cr恒流充电。t4时刻,Ucr达到输出电压,D0导通。(e)续流阶段[t4,t5]t4时刻D0导通,输入电流经主管D0续流,一个开关周期结束,等待下一周期辅管S1被触发。Boost型ZVT-PWM的时域波形图如图13(f)所示。在这种变换器中,可实现恒频率运行,电压应力比较小,主管电压与电流无重叠。5采用软开关技术目前,现代电力电子技术为了实现高功率和高功率密度,以及进一步小型化,开关频率需要进一步提高。在硬开关状态下工作,开