一种新型的ZVS关断电路的研究

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一种新型的ZVS关断电路的研究 [复制链接]

软开关技术是开关电源中的一个重要研究领域。根据磁性元件的电压极性在不同开关状态下也不同的特点，提出了一种新型的ZVS关断电路。这种关断电路所附加的元件很少，但可以实现优良的软关断效果。以CCM Buck电路为例，对该ZVS关断电路进行了详细的理论分析。最后的实验结果证实了理论分析，表明这种电路的正确性和可行性。

关键词：软开关；吸收电路；零电压开关

　

0    引言

    软开关（ZVSZCS）技术可以显著地减小开关损耗，是开关电源的一个重要研究领域。迄今为止，实现软开关的方案很多，归纳起来可以有以下几种不同形式：

    1）直接利用谐振实现的谐振软开关，它可以实现良好的软开关效果，但却需要采用变频控制策略，使磁性元件的设计难以优化；

    2）利用辅助开关实现的有源软开关技术，可以实现PWM控制策略，并达到很好的软开关效果，但它需要辅助开关管及其控制驱动电路，不利于增加开关电源的功率密度，可靠性也有所降低；

    3）采用无损吸收电路实现软开关技术，仅需要附加少量无损元器件（电容、电感和二极管），就可以实现软开关[1][2][3][4][5][6][7]，且可以采用PWM控制，便于设计磁性元件。

    本文提出了一种新型的无源无损ZVS软开关电路，它利用主电感电压极性跟随开关状态改变的特点，来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电。该电路具有使用元器件少，无需额外的辅助开关，且软开关效果好，控制方便等许多优点，研究结果证明该电路是可行的。

1    新型的磁耦合式ZVS关断电路

    如图1所示，新型的ZVS关断电路所包含的元器件很少：小电容C_s和二极管D_s，用于实现主开关的ZVS关断；小电感L_R、二极管D_R和主电感的耦合电感L_mc，给C_s创造充电的准谐振条件。将图1中的A～E各个端点连接到电路的恰当位置，就可以为具体电路构造ZVS关断条件。

图1    新型的ZVS关断电路

    图2所示为一个带新型磁耦合式ZVS关断电路的Buck拓扑，虚线所包围部分为附加上去的ZVS关断电路。

图2    带新型磁耦合式ZVS关断电路的Buck拓扑

    这种新型的关断电路可推广到所有带单开关的基本拓扑中，如图3所示。

(a)Boost        (b)Buck-Boost

(c)Cuk(1)            (d)Cuk(2)

（e）Sepic(1)        （f）Sepic(2)

(g)Zeta(1)        (h)Zeta(2)

图3    带新型ZVS关断电路的基本拓扑

    由于Cuk、Sepic和Zeta拓扑都含有两个主电感，这两个主电感的电压极性都随着开关状态发生改变，故它们都可以用于构造新型的ZVS关断电路。

2    带新型ZVS关断电路的CCM Buck拓扑的工作原理

    以CCM Buck电路为例，说明新型ZVS关断电路的工作原理。为方便电路分析，做如下假设：

    1）输入电压V_in为恒定值；

    2）输出电容C_o足够大，输出电压V_o恒定；

    3）所有元器件都是理想的，忽略其寄生参数；

    4）耦合电感可视为励磁电感L_m和一个理想变压器组成，励磁电流I_m为大于零的恒定值。

    电路共有5个工作模态，如图4所示，其工作波形如图5所示。通路用粗线表示。

(a)电流电压方向图    (b)模态1〔t₀－t₁〕

(c)模态2〔t₁－t₂〕    (d)模态3〔t₂－t₃〕

(e)模态4〔t₃－t₄〕    (f)模态5〔t₄－t₅〕

图4    电路各个工作模态图

图5    各个工作模态的主要波形图

    模态1〔t₀－t₁〕    t₀时刻，电容C_s放电完毕，D_o实现ZVS开通，电路进入L_m放电状态，其电流为I_m。

    模态2〔t₁－t₂〕    t₁时刻，S开通。输入电流i_in马上跃升到I_m，输出二极管D_o立即关断（S和D_o这时都不是软开关，这不是本文研究的内容）。S开通后，V₁的极性变为正，其感应电压V₂也跟着变为正；C_s和L_R在V₂作用下发生串联谐振。设耦合电感的变比为N₂/N₁，则有：

    V₂=(N₂/N₁)V₁=(N₂/N₁)×(V_in－V_o)（1）

    i_LR(t)=sinω_r(t－t₁)（2）

    v_Cs(t)=V₂－V₂cosω_r(t－t₁)（3）

式中：ω_r=1/；Z_r=。

    此时，i_in（t）包含有两个电流分量，即

    i_in(t)=I_m＋i_LR^c(t)（4）

式中：i_LR^c(t)=(N₁/N₂)i_LR(t)

    模态3〔t₂－t₃〕    t₂时刻，v_Cs(t)到达最大值V_in，并维持不变。i_LR(t)在电压(V_in－V₂)的作用下线性下降，即

    i_LR(t)=i_LR(t₂)－(t－t₂)（5）

    模态4〔t₃－t₄〕    i_LR(t)在t₃时刻下降到零，并维持不变，电路进入L_M充电阶段。

    模态5〔t₄－t₅〕    t₄时刻S关断，C_s放电，v_Cs(t)线性下降，实现主开关的ZVS关断。故S上的电压为

    v_s=v_Ds=V_in－（6）

    在t₅（对应于前面的t₀）时刻C_s放电完毕，开始下一个工作周期。

3    新型关断电路ZVS的实现条件

    根据模态3，电路能够实现ZVS的条件是在t₂时刻，v_Cs(t)的最大值必须大于V_in。而v_Cs(t)的最大值取决于N₂/N₁和输入输出电压之差，根据式（1）和式（3），并设m=V_o/V_in，则有

    （7）

    其曲线如图6所示，位于曲线下方的区域满足ZVS条件。

图6    曲线下侧部分为能够实现ZVS的区域

    由模态5可以看出，S在关断时候的电压上升速率由C_s和I_m决定，见式(6)。对于确定的C_s，当I_m越大时（即负载电流越大的时候），其斜率也大，后面给出的试验波形图也可以说明这一点。

4    实验结果

    根据上述的理论分析，设计了一个CCM Buck变换器。其主要参数如下：V_in=40V；V_o=13V，L_R=10mH，C_s=44nF，N₂/N₁=1，L_m=74mH；D_s和D_R采用超快速恢复二极管，D_o为肖特基二极管。开关频率为50kHz。

    试验研究了电路在不同负载电流条件下，主电路开关过程的试验电压和电流波形分别如图7～图9所示。由图可以看出，开关管实现了ZVS，且开关管的电压应力等于输入电压；开通过程也近似于ZCS开通，额外的谐振电流分量相对于主电流来说不大，不会对电路的工作造成不良影响。

t   1.0μs/div

图7    I_o=1.0A的时候的开关波形

t   1.0μs/div

图8    I_o=1.5A的时候的开关波形

t   1.0μs/div

图9    I_o=2.0A的时候的开关波形

5    结语

    本文提出的新型ZVS关断吸收电路，巧妙地利用了不同开关状态下主电感电压极性的不同，来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电，从而实现了软开关。从理论分析和实验结果可知，这种无源无损吸收电路可以实现开关管ZVS关断，开通也接近ZCS效果。且开关管所承受的最大电压应力等于输入电压。

    这种ZVS关断吸收电路所需要的外加元器件数量很少，而且可以很容易地推广到其它各种基本拓扑结构中。

　

作者简介

    邓衍平（1978－），男，硕士研究生，研究方向为变流技术及其应用。