- 电力电子软开关技术及实用电路
- 王增福 李昶 魏永明等编著
- 18字
- 2020-08-28 13:39:06
1.3 ZCS、ZVS、ZCSPWM、ZVTPWM变换器软开关技术简介
1.3.1ZCS变换器
如图1-5(a)所示,在开关管支路上串联电感,是ZCS(ZeroCurrentSwitching)的基本思路。开关器件导通时,抑制di/dt,消除开关管上的电压U、电流i的重叠时间,从而不会产生开关损耗。为确保开关器件的安全,在开关管关断之前,串联电感上的能量要释放为零(电流为零)。
图1-5 ZCS型准谐振变换器的基本结构
图1-5(b)是ZCS型准谐振变换器的基本结构。该方案利用串联电感实现ZCS导通,谐振时电感放电,再利用反并联二极管进行关断。在反向导通的开关器件上串联谐振电感Lr,外侧并联谐振电容Cr,形成零电流谐振开关。图1-5(c)为电压电流波形,t0时刻驱动开关管导通,由于Lr的初始电流为零,开关动作属于ZCS。
谐振开关在t0~t4期间有一连串动作,中途不能停止,输出电压为UC的平均值,以固定导通时间进行控制。该变换器没有开关器件和续流二极管之间的短路状态,导通和关断都属于ZCS型。
利用ZCS方式使器件导通时,开关器件的极间电容上积蓄的电荷都短路掉,能量没有充分利用。因此,一般ZCS只用在500kHz以下开关动作的场合。
1.3.2 ZVS变换器
如图1-6(a)所示,在开关管上并联电容,是ZVS(Zero VoltageSwitching)的基本思路。开关管关断时,抑制du/dt,消除u、i重叠时间,避免产生开关损耗。可在任意时刻以ZCS关断。开关管导通之前,并联电容上的电荷要放完,以确保开关管的安全。
图1-6 ZVS型准谐振变换器
图1-6(b)是ZVS准谐振变换器的基本结构。这种方式是利用并联电容使开关器件ZVS导通,由于谐振电容放电,并通过串联二极管导通而工作。在开关管VT上并联谐振电容Cr,其外侧串联谐振电感Lr,构成零电压谐振开关。图1-6(c)是其电压电流波形。
该变换器的关断时间是固定的,通过控制频率可以控制输出电压Uo。准谐振ZVS实现零电压导通条件是,谐振电压的峰值高于电源电压。
谐振ZVS开关器件的极间电容是谐振电路的一部分,不造成损耗,适用于500kHz以上的高频动作,但负载范围窄,只适用固定负载或接近于固定的负载。
1.3.3 ZCSPWM变换器
当外部电路电流流经图1-7(a)所示二极管VD时,开关管VT处于零电压、零电流状态。此时导通或关断开关管VT,都是ZVS、ZCS动作。外部电路由LC无源器件、辅助开关等谐振电路组成,也有同时使用电感和电容的情况。谐振型变换器兼用了反并联二极管的ZCS和ZVS的功能。
图1-7 反并联二极管结构及ZCSPWM变换器电路
图1-7(b)所示为谐振型ZCSPWM降压式变换器的主电路及波形图,图中VT1(g)和VT(g)分别表示辅助开关管VT1和主开关管VT的驱动信号,UDS、UDS1和分别为VT、VT1和谐振电容Cr两端的电压为流过VT和谐振电感Lr的电流。与谐振式ZCS相比,多了一个与谐振电容Cr串联的辅助开关管VT1,主开关管VT与谐振电感Lr串联。设t<t0时。主开关管VT和辅助开关管VT1均关断,t=t0时,令主开关管VT导通。一周内有6种运行模式,见表1-2。
表1-2 Buck型ZCSPWM变换器一周期的运行模式
Buck型ZCS-PWM变换器的主开关最大电压钳定在Ui,最大电流Imax=Io+Ui/Zn发生在模式2准谐振阶段,为特征阻抗。
ZCS-PWM变换器的优点是:①主开关器件及辅助开关器件零电流关断;②恒频控制;③主开关电压应力小;④续流二极管VD零电压关断。缺点是:①主开关电流应力大;②谐振电感与主开关串联,满足零电流开关条件的电源电压,负载电流变化范围窄;③续流二极管VD电压应力等于2Ui; ④谐振网络未吸收主开关管结电容能量,关断时有寄生振荡。
1.3.4 ZVTPWM变换器
图1-8所示为ZVTPWM变换器的主电路结构。主开关管VT导通前,使辅助开关管VT1导通,Lr、L有电流通过。VD关断后,由于LrCr谐振,Cr放电。放电结束后,使VT以ZVS导通。此后,使VT1关断,Lr的电流经过VD1返回电源。任意时刻使VT关断,由于Cr存在,VT是以ZVS关断的。
图1-8 ZVTPWM变换器的主电路结构
优点:VT、VD都是软开关动作,耐压和电流有效值与硬开关PWM一样。
缺点:VT1导通是软开关,而关断是硬开关。因电流有效值小,使用高速器件更好。
主开关器件使用IGBT,开关频率为100kHz, 600W的升压DC-DC变换器,效率可达97.3%。增加电容和二极管,辅助开关器件的关断也可实现ZVS。
1.3.5 ZCTPWM变换器
ZCSPWM变换器的谐振电路与主电路并联,使主电路的电流不通过谐振电感,则主开关器件的峰值电压和电源电压相等,不会增加谐振电感引起的导通损耗,效率与硬开关PWM相同。
图1-9所示为ZCTPWM变换器的结构图。开关动作时,谐振的反向电流提供给主开关管VT和续流二极管VD。VD导通期间,Cr的电压是左正右负。
图1-9 ZVTPWM变换器电路
先触发辅助开关管VT1导通,通过VT1、VD流过谐振电流,谐振电流反方向时,VT1反并联二极管导通,使VD电流为零。在这种状态下触发VT导通,Cr的电压为零;要关断时,先触发VT1导通,通过VT、VT1驱动谐振电路,谐振电流反向时,VT1、VT的反并联二极管导通,此时使VT关断。VD导通后,Cr被充电,左正右负。
优点:主、辅器件和续流二极管都是ZCS动作,辅助器件关断时要求不是很严格。
缺点:主器件的电流峰值大。
主器件采用MCT、辅助器件使用IGBT,20kHz、300V、5kW的DC-DC变换器的效率达到98.5%。