直流功率變換器的高頻化

直流功率變換器的高頻化

1功率變換器開關(guān)頻率不能引起噪聲近年來，能源電子技術(shù)發(fā)展迅速，直接關(guān)聯(lián)電池廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和航空航天等領(lǐng)域。如今,笨重型、低效電源裝置已被小型、高效電源所取代。為了實(shí)現(xiàn)電源裝置的高性能、高效率、高可靠性,減小體積和重量,必須實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻化。開關(guān)電源的高頻化不僅減小了功率變換器的體積,增大了變換器的功率密度和性能價(jià)格比,而且極大地提高了瞬時(shí)響應(yīng)速度,抑制了電源所產(chǎn)生的音頻噪聲,從而已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。然而功率變換器開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高將受以下因素的限制:①在通斷瞬間切換過程中,功率器件的開關(guān)應(yīng)力。②開關(guān)損耗。③劇烈的di/dt和du/dt沖擊及其產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一,它應(yīng)用諧振的原理,使開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時(shí),使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí),使器件開通),從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題,而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI等問題。為此先后有人提出了諧振變換器(resonantconverter),準(zhǔn)諧振變換器(quasiresonantconverter)和多諧振變換器(mutiresonantconverter),零開關(guān)PWM變換器(zeroswitchingPWMconverter),零轉(zhuǎn)換PWM變換器(zerotransitionPWMconverter)及無源無損緩沖電路(passivelosslesssnubbercircuit)等多種軟開關(guān)技術(shù)。2直開關(guān)軟開關(guān)技術(shù)及其新開發(fā)2.1附加振幅網(wǎng)絡(luò)諧振變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振變換器,在20世紀(jì)70年代最早被提出來,它通過在標(biāo)準(zhǔn)PWM變換器結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單地附加諧振網(wǎng)絡(luò)的方法而得到。按照諧振元件的諧振方式,可分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類;按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系,又可分為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器和并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。其工作原理主要是通過諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載的諧振,使經(jīng)過開關(guān)元件的電流或電壓被整形為正弦波形,開關(guān)元件在電流或電壓的過零處開通或關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程。2.2振幅開關(guān)的工作原理20世紀(jì)80年代初,美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心(UPEC)的李澤元教授等研究人員提出了諧振開關(guān),即在基本PWM開關(guān)上增加一些諧振元件,它也是準(zhǔn)諧振變換器中最關(guān)鍵的部分。根據(jù)開關(guān)管與諧振電感和諧振電容的不同結(jié)合,諧振開關(guān)可分為零電流諧振開關(guān)和零電壓諧振開關(guān)兩類。零電流諧振開關(guān)是將諧振電感與PWM開關(guān)串聯(lián),利用電感中諧振電流過零點(diǎn)時(shí),使開關(guān)零電流關(guān)斷;零電壓諧振開關(guān)是將諧振電容與PWM開關(guān)并聯(lián),利用電容兩端諧振電壓過零點(diǎn)時(shí),使開關(guān)零電壓開通。它們各有L型和M型兩種電路方式,而且根據(jù)功率開關(guān)管是單向?qū)ㄟ€是雙向?qū)?又可分為半波模式和全波模式,如表所示。諧振開關(guān)實(shí)現(xiàn)了軟開通或關(guān)斷,減少了開關(guān)損耗,但其開關(guān)器件的通態(tài)電流或斷態(tài)電壓應(yīng)力大。因開關(guān)器件工作頻率不恒定,為保持輸出電壓在各種條件下基本不變,必須采用變頻控制方法,然而該控制方式比PWM變換器復(fù)雜,而且變壓器、電感等磁性元件要按最低頻率設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)困難。因此,諧振開關(guān)一般應(yīng)用在小功率低電壓而且對(duì)體積和重量要求十分嚴(yán)格的場(chǎng)合,比如宇航電源和程控交換機(jī)的DC-DC電源模塊。此外,根據(jù)諧振軟開關(guān)技術(shù)原理,人們還提出過在PWM開關(guān)內(nèi)綜合準(zhǔn)諧振零電流和準(zhǔn)諧振零電壓的多諧振開關(guān),它一般能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān),但還是只能采用頻率控制方法。實(shí)際常常用零電壓多諧振變換器,主要是因?yàn)樗樟碎_關(guān)管和整流二極管的結(jié)電容,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管和整流二極管零電壓開關(guān),而且它的開關(guān)管的電壓應(yīng)力與零電壓準(zhǔn)諧振相比要小得多。2.3gm控制工作原理零開關(guān)PWM變換器包括零電壓PWM變換器和零電流PWM變換器,它們是在準(zhǔn)諧振軟開關(guān)的基礎(chǔ)上,加入一個(gè)輔助開關(guān)管,來控制諧振元件的諧振過程,實(shí)現(xiàn)PWM控制。它只利用諧振實(shí)現(xiàn)換相,換相完畢后仍采用PWM工作方式,從而既能克服硬開關(guān)PWM在開關(guān)過程中的三大缺陷,又能保留硬開關(guān)PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)提出了一種新穎的混合式全橋PWM變換器,它不僅能在不增加導(dǎo)通損耗的情況下實(shí)現(xiàn)空載下ZVS條件,而且能使輸入輸出的濾波波形幾乎為理想的,從而減少了輸入輸出的濾波裝置。2.4零轉(zhuǎn)換dm變換器零轉(zhuǎn)換PWM變換器包括ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器,其諧振網(wǎng)絡(luò)是與主開關(guān)并聯(lián)的。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間,并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振獲得零開關(guān)條件。開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,電路又恢復(fù)到正常的PWM工作方式。因此,零轉(zhuǎn)換PWM變換器既克服了硬開關(guān)PWM和諧振技術(shù)的缺點(diǎn),又綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)。為此,該類變換器在中大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用,并具有如下優(yōu)點(diǎn):①采用PWM控制方式,實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制。②輔助電路只是在開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作,其他時(shí)候不工作,而且是與主功率回路相并聯(lián),不需要處理很大的環(huán)流能量,從而減小了輔助電路的損耗。③輔助電路的工作不會(huì)增加主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力。2.4.1輔助諧振網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)提出的普通BoostZVT-PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它在主開關(guān)管S之上,并聯(lián)了一個(gè)由諧振電容Cr(其中包含了主開關(guān)S的輸出電容和二極管VD的結(jié)電容)、諧振電感Lr、輔助開關(guān)S1及二極管VD1組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。在每次主開關(guān)管S導(dǎo)通前,先導(dǎo)通S1,使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)諧振。當(dāng)S兩端電容電壓諧振到零時(shí),導(dǎo)通S。當(dāng)S完成導(dǎo)通后,立即關(guān)斷S1,使輔助諧振電路停止工作。之后,電路以常規(guī)的PWM方式運(yùn)行。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不增加電壓/電流應(yīng)力的情況下,實(shí)現(xiàn)了S的零電壓導(dǎo)通和VD的零電流關(guān)斷。但由于S1是在大電流(接近諧振峰值電流)下關(guān)斷、大電壓(接近輸出電壓)下開通,S1處于一種非常不好的硬開關(guān)環(huán)境,因此有必要改善輔助開關(guān)管的關(guān)斷條件。為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點(diǎn),近年來人們提出了幾種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它們均實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的軟開關(guān),減少開關(guān)損耗。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理見文獻(xiàn)。2.4.2zct-dm變換器拓?fù)鋵?duì)于IGBT、MCT等新型電力半導(dǎo)體器件,在關(guān)斷以后,還有尾電流存在,因此應(yīng)用ZCT-PWM技術(shù),對(duì)減少關(guān)斷損耗更加有效,特別是對(duì)那些開關(guān)動(dòng)作較緩慢的IGBT器件,而且工作與電源電壓和負(fù)載范圍無關(guān),變換器的循環(huán)能量很小。圖1a所示是普通BoostZCT-PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)在ZCS下關(guān)斷,消除關(guān)斷損耗。但是,其輔助開關(guān)仍然是硬開關(guān),而且,其輸出整流二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題,導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過改變控制策略,使輔助開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)一些,可以實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管在ZCS下關(guān)斷,但輔助開關(guān)管的峰值電流將較大。文獻(xiàn)提出了一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器,只是交換了輔助開關(guān)和嵌位二極管的位置,而輔助開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開通兩次。第一次開通是在主開關(guān)管關(guān)斷,升壓二極管導(dǎo)通時(shí)。輔助開關(guān)管開通,將升壓二極管中的電流轉(zhuǎn)移到輔助支路中去,使二極管中的電流減小到零,二極管自然關(guān)斷。此時(shí)升壓電感和輔助電感的電流相等,而且不能突變,因此開通主開關(guān)管為零電流開通。第二次開通是在主開關(guān)管開通,升壓二極管關(guān)斷時(shí)。輔助開關(guān)管再次開通,將主開關(guān)管中的電流轉(zhuǎn)移到輔助支路中去,并且使主開關(guān)管的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電流關(guān)斷。如圖1b所示,該新穎的ZCT-PWM變換器拓?fù)?與圖2a的普通ZVT-PWM變換器相比,該改進(jìn)的拓?fù)湓谠骷?shù)量方面沒有增減,只是改變了組合方式,但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S和輔助開關(guān)管Sa的軟通斷,并解決了輸出整流二極管VDf嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。其詳細(xì)工作原理見文獻(xiàn)。2.4.3sa模式下vd的工作過程近些年,一些電力電子研究中心的工程師們正盡力尋求一種最優(yōu)化的軟開關(guān)技術(shù),即用盡量少的輔助元件,實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換,綜合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)一步完善零轉(zhuǎn)換條件。文獻(xiàn)所介紹的一種新穎的ZCZVT-PWM變換器,就能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換,如圖2a所示。以下對(duì)其工作過程進(jìn)行分析。在分析中,假設(shè):①輸入電壓Ui恒定,主電感足夠大,以致輸入電流Is恒定。②輸出電容足夠大,以致輸出電壓Uo恒定。③只考慮續(xù)流二極管VD的反向恢復(fù)電流和主開關(guān)的開關(guān)過渡時(shí)間,其他元器件均為理想元件。并設(shè)初始狀態(tài)為:主功率開關(guān)管S及輔助開關(guān)管Sa均為關(guān)斷狀態(tài),VD處于導(dǎo)通狀態(tài),UCR1=U0,則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)開關(guān)周期可劃分為13個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形如圖2b所示。模態(tài)1(t1～t2):在t1時(shí)刻,Sa開通,CR1,LR諧振,iLR,UCR1均增加,直到UCR1=Ui,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)2(t2～t3):在t2時(shí)刻,VDa2導(dǎo)通,iLR繼續(xù)增加,直到iLR=Ii,此時(shí)VD自然關(guān)斷;模態(tài)3(t3～t4):CR2,LR諧振,UCR2減小,iLR繼續(xù)增加,直到UCR2=0;模態(tài)4(t4～t5):在t4時(shí)刻,VDS導(dǎo)通,LR釋放能量,iLR減小,直到iLR=Ii,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)5(t5～t6):在t5時(shí)刻,S導(dǎo)通,當(dāng)LR完全釋放能量時(shí),iLR=0,iS=Ii,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)6(t6～t7):CR1,LR通過S和VDa1開始半周期諧振,此時(shí)關(guān)斷Sa;模態(tài)7(t7～t8):該階段與普通BoostPWM變換器的開通狀態(tài)一樣;模態(tài)8(t8～t9):在t8時(shí)刻,Sa開通,CR1,LR,iLR增加,iS下降,直到iLR=Ii,iS=0;模態(tài)9(t9～t10):在t9時(shí)刻,VDs導(dǎo)通,S關(guān)斷,當(dāng)iLR再次達(dá)到Ii,VDs關(guān)斷,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)10(t10～t11):在t10時(shí)刻,CR2,CR1,LR諧振,直到UCR1=Ui,VDa2導(dǎo)通;模態(tài)11(t11～t12):在t11時(shí)刻,CR2,LR繼續(xù)諧振,直到iLR=0,VDa1開通,VDa2關(guān)斷;模態(tài)12(t12～t13):在t12時(shí)刻,CR2,CR1,LR諧振,當(dāng)iLR再次達(dá)到iLR=0時(shí),VDa1關(guān)斷,此時(shí)關(guān)斷Sa,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)13(t13～t14):輸入電流Ii給CR2充電,UC2線性增加到U0,此時(shí)VD導(dǎo)通,進(jìn)入下一個(gè)周期?？梢?該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S同時(shí)在零電壓和零電流條件下開通和關(guān)斷,輔助開關(guān)管Sa在零電流條件下開通,零電壓和零電流條件下關(guān)斷,輸出整流二極管VD在零電壓下轉(zhuǎn)換,從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn),又克服了它們各自的缺點(diǎn),大大減小了開關(guān)損耗。2.5種無源無損緩沖電路無源無損緩沖電路,即不附加有源器件,只是采用電感電容和二極管來構(gòu)成無損緩沖網(wǎng)絡(luò),一個(gè)基本的無源無損緩沖電路一般都包含三個(gè)功能回路:①開通緩沖回路。②關(guān)斷緩沖回路。③饋能回路。常用的方法是用電感L與功率管串聯(lián),開通時(shí)電流只能從零增加,因而“零電流”使開通得到軟化;用電容C與晶體管并聯(lián),關(guān)斷時(shí)晶體管兩端電壓只能從零增大,因而“零電壓”使關(guān)斷得到軟化;用二極管D經(jīng)過一定的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),在功率管開關(guān)過程中,將L、C中的存儲(chǔ)能量反饋到電源或饋送給負(fù)載。為此,下面介紹兩種無源無損緩沖電路在PWMDC-DC變換器中的最新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一種是具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路;另一種是再生式的無源無損緩沖電路,如圖3a所示,它是傳統(tǒng)的L+RCD復(fù)合型緩沖電路的改進(jìn)。其改進(jìn)點(diǎn)包括:①去掉放電電阻R。②去掉專門的功率電感器L,巧妙地用一個(gè)同輸入電感Lp耦合的小功率繞組La代替。下面分析其工作過程。假設(shè)與2.4.3基本相同。并設(shè)初始狀態(tài)為:MS關(guān)斷,VD開通,iD=Is,則對(duì)感性負(fù)載CCM工作情況,穩(wěn)態(tài)時(shí)每個(gè)周期可以分為以下六個(gè)模態(tài),相應(yīng)的主要波形圖如圖3b所示。模態(tài)1(t1～t2):在t1時(shí)刻,主開關(guān)管Ms開通,電感電流iLS線性增大,流經(jīng)二極管VD的電流iD相應(yīng)減小,直到iD=0,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)2(t2～t3):在t2時(shí)刻,VD關(guān)斷,CS開始放電,耦合繞組La的感應(yīng)電勢(shì)使CS上的電勢(shì)自舉提高,直到電容CS完全釋放儲(chǔ)能,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)3(t3～t4):該模態(tài)與普通PWMBoost變換器開通狀態(tài)基本相似;模態(tài)4(t4～t5):在t4時(shí)刻,主開關(guān)管MS關(guān)斷,輸入電流IS經(jīng)過電感LS,VDs1開始給CS充電,直到UCS=Uo,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)5(t5～t6):在t5時(shí)刻,VD導(dǎo)通,電流iLS線性減小,流經(jīng)二極管電流iD相應(yīng)增大,直到iD=IS,該模態(tài)結(jié)束;模態(tài)6(t6～t7):該模態(tài)與普通PWMBoost變換器的關(guān)斷狀態(tài)基本相似。可見,該無源無損緩沖型軟開關(guān)電路的關(guān)鍵在于:當(dāng)MS在ZCS下開通時(shí),因Lp的耦合繞組La的感應(yīng)反電勢(shì)而發(fā)生電勢(shì)自舉,有利于電容CS的儲(chǔ)能經(jīng)La向負(fù)載釋放;放電完畢的CS又為MS的關(guān)斷提供ZVS條件。3零轉(zhuǎn)換dm軟開關(guān)變換器當(dāng)開關(guān)頻率增大到兆赫茲級(jí)范圍,被抑制的或低頻時(shí)可忽視的開關(guān)應(yīng)力和噪聲,將變得難以接受。諧振變換器雖能為開關(guān)提供零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)狀態(tài),但工作中會(huì)產(chǎn)生較大的循環(huán)能量,使導(dǎo)電損耗增大。為了在不