專利名稱：一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移dc－dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，具體地說，是涉及一種軟開關(guān)的PWM變換器。
背景技術(shù)：
硬開關(guān)PWM變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、工作頻率恒定以及輸出調(diào)節(jié)特性好而得到廣泛應(yīng)用。在高壓、大功率應(yīng)用場合，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)損耗大，并且電壓尖峰和電流浪涌帶來的電磁干擾可能影響變換器的正常工作。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通常需用較大容量的開關(guān)器件輔以吸收電路，開關(guān)頻率難以提高。為解決這些問題，近年來國內(nèi)外提出了許多軟開關(guān)技術(shù)，如諧振開關(guān)技術(shù)、零開關(guān)技術(shù)和零轉(zhuǎn)移技術(shù)等。其中零轉(zhuǎn)移變換器由于采用輔助網(wǎng)絡(luò)，利用輔助開關(guān)控制諧振元件的諧振過程，在保持PWM變換器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，減少了開關(guān)損耗，成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盡管目前出現(xiàn)許多新型電路拓?fù)洌源嬖谥恍┎蛔?，如開關(guān)管電壓電流應(yīng)力大、輔助管不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、主開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)四個(gè)零、存在較大環(huán)流能量等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器。
本發(fā)明是這樣構(gòu)成的一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，包括由主開關(guān)管S1、功率二極管D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1和由輔助管S3控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2，其特征在于電源正極通過電感Lf分別連接到開關(guān)管S1的集電極、電容C1的一端、開關(guān)管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極管D的正端；開關(guān)管S1的發(fā)射極、電容C1的另外一端連接到電源的負(fù)端；開關(guān)管S3的發(fā)射極分別與電感Lr2的一端及二極管D3的正極連接，電感Lr2另一端經(jīng)電容C2連接到電源的負(fù)端；耦合電感L1的另一端經(jīng)電感Lr1分別與二極管D5、二極管D4的正極相連，二極管D5的負(fù)極分別連接到開關(guān)管S2的集電極、二極管D3的負(fù)極，開關(guān)管S2的發(fā)射極與電源的負(fù)端相連；電感L2的同名端與二極管D2的正極相連，二極管D的負(fù)極分別連接到二極管D2和二極管D4的負(fù)極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負(fù)端連接；三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3的基極分別連接到三個(gè)控制電路。
本發(fā)明是一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移的軟開關(guān)DC-DC變換器電路拓?fù)?，它通過采用兩條輔助諧振支路實(shí)現(xiàn)了全部主、輔開關(guān)的軟開關(guān)。由于主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了四個(gè)零，消除了電壓和電流的交疊現(xiàn)象、降低了開關(guān)損耗；四個(gè)斜坡，減小了 開關(guān)應(yīng)力減小，同時(shí)也解決了硬開關(guān)PWM變換器引起的EMI問題、二極管的反向恢復(fù)問題。在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)，零電壓、零電流開關(guān)條件均可以得到保證。該新型軟開關(guān)DC-DC變換器由于主開關(guān)管和輔助管都實(shí)現(xiàn)了零電流通斷，主開關(guān)管和輔助管均可用IGBT作為開關(guān)器件用于高電壓、大功率應(yīng)用場合。


圖1是本發(fā)明的軟開關(guān)電路圖；圖2是本發(fā)明的模式1工作狀態(tài)的等效電路；圖3是本發(fā)明的模式2工作狀態(tài)的等效電路；圖4是本發(fā)明的模式3工作狀態(tài)的等效電路；圖5是本發(fā)明的模式4工作狀態(tài)的等效電路；圖6是本發(fā)明的模式5工作狀態(tài)的等效電路；圖7是本發(fā)明的模式6工作狀態(tài)的等效電路；圖8是本發(fā)明的模式7工作狀態(tài)的等效電路；圖9是本發(fā)明的模式8工作狀態(tài)的等效電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，包括由主開關(guān)管S1、功率二極管D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1和由輔助管S3控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2，其特征在于電源正極通過電感Lf分別連接到開關(guān)管S1的集電極、電容C1的一端、開關(guān)管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極管D的正端；開關(guān)管S1的發(fā)射極、電容C1的另外一端連接到電源的負(fù)端；開關(guān)管S3的發(fā)射極分別與電感Lr2的一端及二極管D3的正極連接，電感Lr2另一端經(jīng)電容C2連接到電源的負(fù)端；耦合電感L1的另一端經(jīng)電感Lr1分別與二極管D5、二極管D4的正極相連，二極管D5的負(fù)極分別連接到開關(guān)管S2的集電極、二極管D3的負(fù)極，開關(guān)管S2的發(fā)射極與電源的負(fù)端相連；電感L2的同名端與二極管D2的正極相連，二極管D的負(fù)極分別連接到二極管D2和二極管D4的負(fù)極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負(fù)端連接；三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3的基極分別連接到三個(gè)控制電路。
上述的DC-DC變換器，如圖2所示，它的工作原理是這樣的為簡化分析，假設(shè)電路中所有元器件都是理想的，輸入濾波電感Lf足夠大，用恒流源Ii代替，輸出濾波電容C0足夠大，用恒壓源V0代替。設(shè)t＝t0以前，主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)S2、S3均關(guān)斷，諧振電容C2的電壓為Vc2max。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有八種運(yùn)行模式，如圖2所示(1)模式1(t0～t1)t0時(shí)，輔助管S2零電流導(dǎo)通，有兩種工作情況(a)電感Lr1電流由零線性充電至 iLr1=iLr2=Ii2,]]>整流二極管電流iD＝Ii-iL1-iL2＝0，整流二極管D零電流關(guān)斷，線性充電時(shí)間t01=IiLr12V0.]]>(b)Lr2通過S2、D3與C2發(fā)生諧振，有iLr2=-VC2maxZr2sinω2(t-t4)---(1)]]>uc2＝VC2maxcosω2(t-t4) (2)式中，ω2=1Lr2C2,]]>Zr2=Lr2C2.]]>經(jīng)過 諧振周期后停止諧振，這一段時(shí)間可能延續(xù)到模式2和模式3。
模式2(t1～t2)t1時(shí)iD＝0，整流二極管D關(guān)斷，Lr1通過S2與C1發(fā)生諧振，有iLr1=12Ii+V0Zr1sinω1(t-t1)---(3)]]>uC1=12V0[1+cosω1(t-t1)]---(4)]]>式中，ω1=2Lr1C1,]]>Zr1=2Lr1C1.]]>C1電壓uC1逐漸降低，同時(shí)耦合電感次級電流iL2通過D2流到負(fù)載，輔助開關(guān)承受較小的電流應(yīng)力，這個(gè)階段時(shí)間t12=πω1=πLr1C12.]]>(3)模式3(t2～t3)t2時(shí)，uC1＝0，主開關(guān)管體內(nèi)反并二極管D1導(dǎo)通，此時(shí)給主開關(guān)管S1加上觸發(fā)脈沖，S1零電壓接通。諧振電感Lr1電流iLr1=12Ii-V0Lr1(t-t2),]]>諧振電感Lr1中能量反饋到負(fù)載，諧振電感線性放電，流過主開關(guān)管S1電流線性增加，S1為零電流接通。當(dāng)t23=IiLr12V0]]>時(shí)，iLr1＝0，輔助管S2電流iS2＝0，此后到輔助管S3開通前任何時(shí)刻關(guān)斷輔助開關(guān)管S2均可實(shí)現(xiàn)輔助管S2零電流關(guān)斷。
(4)模式4(t3～t4)t3時(shí)，主開關(guān)管S1的漏源電流達(dá)到濾波電感Lf的電流Il，電路恢復(fù)到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。
(5)模式5(t4～t5)t4之前，主開關(guān)S1導(dǎo)通，C2電壓已充電到-Vc2max。t4時(shí)，輔助管S3零電流導(dǎo)通，Lr2通過S1、S3與C2發(fā)生諧振。在這一時(shí)間段有iLr2=VC2maxZr2sinω2(t-t4)---(5)]]>uc2＝-VC2maxcosω2(t-t4) (6)諧振電流iLr2迫使主開關(guān)管S1的漏源電流iS1＝Ii-iLr2以正弦規(guī)律減小，當(dāng)iLr2諧振到等于輸入電流Ii時(shí)，主開關(guān)管S1中的電流下降為零。之后，iLr2繼續(xù)諧振上升，S1所在支路電流變負(fù)，S1的反并二極管導(dǎo)通，經(jīng)過 諧振周期后，iLr2=VC2maxZr2]]>達(dá)到最大值，然后諧振下降。當(dāng)iLr2諧振下降到再次等于Ii時(shí)，S1的反并二極管D1電流下降為零。在S1的反并二極管D1導(dǎo)通期間，關(guān)斷主開關(guān)管S1可實(shí)現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷。此段時(shí)間間隔t45=π2Lr2C2.]]>(6)模式6(t5～t6)主開關(guān)管S1關(guān)斷后，Lr2與C2、C1繼續(xù)發(fā)生諧振，電容C1電壓uC1由零開始逐漸增加，C2電壓也繼續(xù)增加。當(dāng)uC1＝V0時(shí)，整流二極管D導(dǎo)通。
(7)模式7(t6～t7)
整流二極管D導(dǎo)通后，Lr2與C2繼續(xù)諧振，在這一時(shí)間斷有iLr2=ILM2+(VCM-V0Zr2)2cos[ω2(t-t6)+θ]---(7)]]>uC2=V0+(VCM-V0)2+ILM2Zr22sin[ω2(t-t6)+θ]---(8)]]>式中，θ=tan-1VCM-V0Zr2ILM,]]>ILM＝iLr2(t6)，VCM＝uc2(t6)當(dāng)諧振電流iLr2下降到零時(shí)，諧振電壓uC2達(dá)到最大值VC2max=V0+(VCM-V0)2+ILM2Zr22,]]>這個(gè)時(shí)間段結(jié)束，t67=(π2-θ)Lr2C2.]]>(8)模式8[t7～t8(t0)]t7時(shí)，Lr2與C2的諧振停止，uC2電壓保持在最大值VC2max，iLr2＝0，流過輔助管S3的漏源電流為零，此后到輔助管S2開通前任何時(shí)刻均可使輔助管S3零電流關(guān)斷。t7以后整流二極管D已完全導(dǎo)通，電路又回到傳統(tǒng)的PWM工作狀態(tài)。t8時(shí)輔助管S2導(dǎo)通，電路又重復(fù)上一個(gè)周期的工作。
由以上分析可知，要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管ZVS，關(guān)鍵在于模式1和模式2。模式1實(shí)現(xiàn)了輸出整流二極管D的零電流軟關(guān)斷，而D的關(guān)斷又為Lr1和C1的諧振創(chuàng)造了條件。在模式2，要實(shí)現(xiàn)S1零電壓接通必須保證uC1在主開關(guān)管S1開通前從V0諧振到零，需滿足以下條件T2on≥t01+t12=IiLr12V0+πLr1C12---(9)]]>式中，T2on為輔助管S2脈沖寬度。
同時(shí)，為了使輔助管S2實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷還必須滿足下列條件T2on≥t01+t12+t23=IiLr1V0+πLr1C12---(10)]]>T2on≥πLr2C22---(11)]]>顯然，要使主開關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)零電壓接通，輔助管S2也實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，必須同時(shí)滿足式(10)和式(11)。
在輔助管S2導(dǎo)通期間，有兩條支路電流流過輔助管S2，一條來自電感Lr1電流，另一條來自電感Lr2電流。在此期間，Lr2、C2諧振支路uC2由Vc2max變?yōu)?Vc2max，iLr2從0諧振到最大值再回到0，之后保持諧振值直至輔助管S3開通，為主開關(guān)管S1零電流關(guān)斷創(chuàng)造條件。
實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管ZCS的關(guān)鍵在于模式5，利用Lr2、C2諧振回路的分流作用使主開關(guān)管的電流發(fā)生轉(zhuǎn)移，iS1＝Ii-iLr2，諧振支路電流iLr2逐漸增加，主開關(guān)管電流iS1逐漸減小，直至iS1＝0時(shí)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。在此階段Lr2、C2諧振得以發(fā)生的前提是必須給電容C2賦予一定的初始電壓，且主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷必須滿足以下條件iLr2max=|VC2maxZr2|≥Ii---(12)]]>要使輔助管S3也實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷還必須滿足T3on≥t45+t56+t67(13)式中T3on為輔助管S3脈沖寬度。
權(quán)利要求
1.一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，包括由主開關(guān)管S1、功率二極管D和儲能電感Lf組成的升壓式DC-DC變換器，由輔助管S2控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1和由輔助管S3控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2，其特征在于電源正極通過電感Lf分別連接到開關(guān)管S1的集電極、電容C1的一端、開關(guān)管S3的集電極、耦合電感L1的同名端、電感L2的非同名端、二極管D的正端；開關(guān)管S1的發(fā)射極、電容C1的另外一端連接到電源的負(fù)端；開關(guān)管S3的發(fā)射極分別與電感Lr2的一端及二極管D3的正極連接，電感Lr2另一端經(jīng)電容C2連接到電源的負(fù)端；耦合電感L1的另一端經(jīng)電感Lr1分別與二極管D5、二極管D4的正極相連，二極管D5的負(fù)極分別連接到開關(guān)管S2的集電極、二極管D3的負(fù)極，開關(guān)管S2的發(fā)射極與電源的負(fù)端相連；電感L2的同名端與二極管D2的正極相連，二極管D的負(fù)極分別連接到二極管D2和二極管D4的負(fù)極、電容C0及電阻R0的一端；電容C0和電阻R0的另一端與電源負(fù)端連接；三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3的基極分別連接到三個(gè)控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，其特征在于，所述的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1由耦合電感L1、諧振電感Lr1、二極管D5、輔助開關(guān)管S2和諧振電容Cr1組成，用于實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1的零電壓接通。L1和L2組成的耦合電感使輔助開關(guān)管S2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，也減少了輔助開關(guān)管S2的電流應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC-DC變換器，其特征在于，所述的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2由諧振電感Lr2、輔助開關(guān)管S3和諧振電容C2和主開關(guān)管S1組成，用于實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1的零電流關(guān)斷和輔助開關(guān)管S3的零電流通斷。Lr2、C2、D3和S2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)用于使電容C2反極性，為輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2的工作創(chuàng)造條件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的零電壓零電流轉(zhuǎn)移DC－DC變換器，包括由主開關(guān)管S1、功率二極管D和儲能電感Lf組成的升壓式DC－DC變換器，由輔助開關(guān)管S2控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1和由輔助開關(guān)管S3控制的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)2，通過采用輔助諧振網(wǎng)絡(luò)1和諧振網(wǎng)絡(luò)2實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S1的零電壓零電流通斷、輔助開關(guān)管S2和S3的零電流軟開關(guān)。該DC－DC變換器由于主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都實(shí)現(xiàn)了零電流通斷，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管均可用IGBT作為開關(guān)器件用于高電壓、大功率應(yīng)用場合。
文檔編號H02M3/335GK101068097SQ200710008738
公開日2007年11月7日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者林國慶 申請人:福州大學(xué)