專利名稱：Zcs－pwm開關(guān)單元電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電路，尤其涉及一種應(yīng)用于開關(guān)型功率變換器的ZCS-PWM開關(guān)單元電路。
背景技術(shù)：
與功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)相比，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)導(dǎo)通壓降較小，額定電壓和電流密度很高，所以近幾年來被更多的應(yīng)用于高電壓大功率場(chǎng)合。但是，采用IGBT做開關(guān)元件的硬開關(guān)PWM變換器在高電壓大功率場(chǎng)合下存在一些缺點(diǎn)(1)由于IGBT開關(guān)速度相對(duì)較慢，因此變換器的工作頻率不易提高，磁性元件的體積和重量也比較大；(2)由于功率電子器件開關(guān)狀態(tài)的非理想化開關(guān)行為以及電路寄生與分布參數(shù)等的作用，導(dǎo)致功率電子器件在開關(guān)暫態(tài)中出現(xiàn)硬開關(guān)效應(yīng)，即在開關(guān)過渡過程中，電壓波形和電流波形不僅會(huì)出現(xiàn)高變化率的尖峰，而且兩者還有很大的交疊區(qū)。對(duì)于IGBT而言，由于其關(guān)斷時(shí)存在電流拖尾現(xiàn)象，因此關(guān)斷損耗將更大，在高頻率大功率場(chǎng)合下變換器的工作可靠性會(huì)大大降低。
解決上述缺陷的有效方法是實(shí)現(xiàn)PWM變換器中所有IGBT的零電流開關(guān)(Zero-current-switching，簡(jiǎn)稱ZCS)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有ZCS-PWM控制方案很多，雖然基本思路是一致的，即利用諧振元件實(shí)現(xiàn)電流過零，從而零電流開關(guān)的目的；通過輔助開關(guān)管打斷諧振過程，實(shí)現(xiàn)了恒頻控制，但是它們的性能還是有些區(qū)別。下面取最具代表性的幾種技術(shù)方案進(jìn)行分析(1)方案1輔助支路與主開關(guān)回路串聯(lián)且諧振電感與功率管串聯(lián)方案1提出的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。當(dāng)主開關(guān)管S1開通時(shí)，諧振電感Lr限制了電流的上升率，使得S1實(shí)現(xiàn)了零電流開通；諧振電感電流減小到零并且反向流動(dòng)，S1的反并二極管D1導(dǎo)通，S1中的電流為零，此時(shí)關(guān)斷S1，那么S1將是零電流關(guān)斷。此外輔助開關(guān)管S2也是零電流開關(guān)。
(2)方案2輔助支路與主開關(guān)回路并聯(lián)且諧振電感與功率管串聯(lián)方案2提出的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。通過諧振電感Lr1、Lr2限制主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2開通時(shí)的電流上升率，實(shí)現(xiàn)零電流開通；諧振電感Lr1、Lr2中電流減小到零并且反向流動(dòng)時(shí)，S1、S2的反并二極管D1、D2導(dǎo)通，當(dāng)S1、S2中的電流為零，此時(shí)關(guān)斷S1、S2，那么S1、S2將是零電流關(guān)斷。
(3)方案3輔助支路與主開關(guān)回路并聯(lián)且諧振電感不與功率管串聯(lián)方案3提出的主電路拓?fù)淙鐖D3所示。通過諧振電感Lr1、Lr2限制主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2開通時(shí)的電流上升率，實(shí)現(xiàn)零電流開通；諧振電感Lr1、Lr2中電流減小到零并且反向流動(dòng)時(shí)，S1的反并二極管導(dǎo)通，S1中的電流為零，此時(shí)關(guān)斷S1，那么S1將是零電流關(guān)斷。此外輔助開關(guān)管S2也是零電流關(guān)斷。
上述方案都能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)，但是存在一些缺點(diǎn)方案1的缺點(diǎn)主開關(guān)管S1與諧振電感Lr直接串聯(lián)，使得主開關(guān)管中的電流應(yīng)力非常大，通態(tài)損耗較大，而且選擇開關(guān)管的定額增大，使得成本增加；此外Lr直接串聯(lián)在主開關(guān)回路中，通態(tài)壓降很大，影響了變換器效率的提高。
方案2的缺點(diǎn)這種變換器的輔助支路與主開關(guān)回路并聯(lián)，其工作不會(huì)增加主開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，主開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力很小。但是諧振電感串聯(lián)在主開關(guān)回路和輔助支路中，損耗較大。
方案3的缺點(diǎn)這種變換器的輔助支路與主開關(guān)回路并聯(lián)，并且諧振電感移到續(xù)流支路中，因此主開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力很小而且損耗較小。但是兩個(gè)諧振電感的存在使得變換器的結(jié)構(gòu)不太簡(jiǎn)潔，此外輔助開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力很大，并且在諧振電感反向諧振階段承受非常大的反壓。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種效率高、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷的ZCS-PWM開關(guān)單元電路。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一種方案的電路包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管和與主開關(guān)管反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管，輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感和輔助二極管，輔助二極管并聯(lián)有電容，輔助二極管的陰極與諧振電感連接，主開關(guān)管的發(fā)射極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管；與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接的支路并聯(lián)有箝位二極管。箝位二極管的陰極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管的正極連接。主二極管的陰極與主開關(guān)管的發(fā)射極連接，陽極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的的第二種方案的電路包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管和與主開關(guān)管反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管，主開關(guān)管的發(fā)射極連接有一條支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感和輔助二極管，輔助二極管并聯(lián)有電容，輔助二極管的負(fù)極與諧振電感連接，主開關(guān)管的發(fā)射極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管，該主二極管的陽極與主開關(guān)管的發(fā)射極連接，陰極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接；與主開關(guān)管的發(fā)射極連接的一條支路并聯(lián)有箝位二極管。箝位二極管的陰極與主開關(guān)管的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管的陽極連接。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第三種方案的電路包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，功率回路包括主開關(guān)管和與主開關(guān)管反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管，輔助開關(guān)管的集電極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感和輔助二極管，輔助二極管并聯(lián)有電容，輔助二極管的陽極與諧振電感連接，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的集電極之間設(shè)有一個(gè)主二極管，該主二極管的陽極與主開關(guān)管的集電極連接，陰極與輔助開關(guān)管的集電極連接；與輔助開關(guān)管的集電極連接的一條支路并聯(lián)有一個(gè)箝位二極管。箝位二極管的陽極與輔助開關(guān)管的集電極連接，陰極與輔助二極管的陰極連接。
本發(fā)明的電路吸收?qǐng)D3所示的方案3主電路拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)并進(jìn)行了改進(jìn)，得到一種新的ZCS-PWM開關(guān)單元電路。與現(xiàn)有的方案3的主電路相比，新的開關(guān)單元電路去除了一個(gè)諧振電感Lr1，使得實(shí)際工作中輔助開關(guān)管不再承受反壓并且電流應(yīng)力得以大大降低，并且主電路結(jié)構(gòu)也得到了簡(jiǎn)化；由于二極管D1的反向恢復(fù)，其結(jié)電容與諧振電感Lr將發(fā)生串聯(lián)諧振，從而會(huì)在n1點(diǎn)產(chǎn)生很大的負(fù)電位，使得主開關(guān)管和輔助開關(guān)管產(chǎn)生很大的電壓尖峰。通過在n1和a點(diǎn)之間并聯(lián)一個(gè)箝位二極管D3，使得n1點(diǎn)的電位被箝位在一個(gè)較小的負(fù)值，最終可以將主開關(guān)管和輔助開關(guān)管上的電壓尖峰抑制在一個(gè)小到可以忽略的值上。
基于這種新穎的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，可以得到一族直流變換器，如圖5所示。它們都能實(shí)現(xiàn)所有有源開關(guān)器件的零電流開關(guān)和所有無源開關(guān)器件的零電壓開關(guān)，而且實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)方面的原理是相同的。
3、有益效果本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，控制簡(jiǎn)單方便，功率器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力均很低、效率高、電磁干擾小、工作可靠，能應(yīng)用于高電壓大功率場(chǎng)合。
四

圖1是現(xiàn)有ZCS-PWM控制方案1提出的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有ZCS-PWM控制方案2提出的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖3是現(xiàn)有ZCS-PWM控制方案3提出的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的ZCS-PWM開關(guān)單元電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是基于ZCS-PWM開關(guān)單元電路構(gòu)成的變換器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)Buck.(b)Boost.(c)Buck-boost.(d)Cuk.(e)Sepic.(f)Zeta；圖6是基于ZCS-PWM開關(guān)單元電路的buck變換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是buck變換器各工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路；圖8是本發(fā)明的ZCS-PWMbuck變換器在一個(gè)工作周期內(nèi)的主要波形示意圖；圖9是具有箝位二極管D3時(shí)的試驗(yàn)波形，其中(a)為滿載時(shí)iS1和vS1的波形，(b)為滿載時(shí)iS2和vS2的波形，(c)為10％負(fù)載時(shí)iS1和vS1的波形，(d)為10％負(fù)載時(shí)iS2和vS2的波形100V/div，6A/div，4μs/div；圖10是沒有箝位二極管D3時(shí)的試驗(yàn)波形，其中(a)為滿載時(shí)vS1和vS2的波形，(b)為10％負(fù)載時(shí)vS1和vS2的波形100V/div，4μs/div；
圖11為效率曲線示意圖。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖4、圖5(a)、(d)和(f)所示，本實(shí)施例的ZCS-PWM開關(guān)單元電路包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管S1和與主開關(guān)管S1反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管S2，輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感Lr和輔助二極管D2，輔助二極管D2并聯(lián)有電容Cr，輔助二極管D2的陰極與諧振電感Lr連接，主開關(guān)管S1的發(fā)射極與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管D1；與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極連接的支路并聯(lián)有一個(gè)箝位二極管D3。箝位二極管D3的陰極與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管D2的正極連接。主二極管D1的陰極與主開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，陽極與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極連接。
實(shí)施例2如圖(5)(c)所示，本實(shí)施例為另一種結(jié)構(gòu)的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管S1和與主開關(guān)管S1反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管S2，主開關(guān)管S1的發(fā)射極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感Lr和輔助二極管D2，輔助二極管D2并聯(lián)有電容Cr，輔助二極管D2的負(fù)極與諧振電感Lr連接，主開關(guān)管S1的發(fā)射極與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管D1，該主二極管D1的陽極與主開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，陰極與輔助開關(guān)管S2的發(fā)射極連接；與主開關(guān)管S1的發(fā)射極連接的一條支路并聯(lián)有箝位二極管D3。箝位二極管D3的陰極與主開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管D2的陽極連接。
實(shí)施例3如圖5(b)和(e)所示，本實(shí)施例為另一種結(jié)構(gòu)的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，功率回路包括主開關(guān)管S1和與主開關(guān)管S1反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管S2，輔助開關(guān)管S2的集電極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感Lr和輔助二極管D2，輔助二極管D2并聯(lián)有電容Cr，輔助二極管D2的陽極與諧振電感Lr連接，主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2的集電極之間設(shè)有主二極管D1，該主二極管D1的陽極與主開關(guān)管S1的集電極連接，陰極與輔助開關(guān)管S2的集電極連接；與輔助開關(guān)管S2的集電極連接的一條支路并聯(lián)有箝位二極管D3。箝位二極管D3的陽極與輔助開關(guān)管S2的集電極連接，陰極與輔助二極管D2的陰極連接。
實(shí)施例4如圖6所示，本實(shí)施例為基于圖5(a)所示開關(guān)單元電路的buck變換器。
假設(shè)buck變換器的工作已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)，所有有源開關(guān)器件都是理想器件，輸入電壓Vin恒定，n0為零電位點(diǎn)，輸出濾波電感Lo很大使得其可視作電流源Io，諧振電感Lr遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸出濾波電感Lo。
基于這些假設(shè)，buck變換器在一個(gè)周期內(nèi)的工作可以分為9個(gè)模態(tài)，各工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路如圖7所示，下面分別予以分析。
(1)工作模態(tài)1[t0，t1](等效電路如圖7(a)所示)在t0時(shí)刻之前，buck變換器處于續(xù)流階段，輸出電流Io其實(shí)是線性下降的，因此諧振電感Lr上的壓降與二極管D2的導(dǎo)通壓降之和小于箝位二極管D3的導(dǎo)通壓降，續(xù)流電流絕大部分都流過諧振電感和二極管D2，這一現(xiàn)象在輸出電流很大時(shí)更為明顯。為了分析的方便，認(rèn)為流過諧振電感的電流就是輸出電流Io。在t0時(shí)刻開通主開關(guān)管S1，諧振電感Lr承受反壓-Vin，流過諧振電感的電流將線性下降，流過主開關(guān)管的電流線性上升，因此在t0時(shí)刻主開關(guān)管S1是零電流開通。流過諧振電感的電流和諧振電容上的電壓分別為iLr(t)=Io-VinLr(t-t0),---(1)]]>vCr(t)＝0. (2)在t1時(shí)刻，諧振電感的電流由Io下降為零，流過主開關(guān)管的電流由零上升到Io，此時(shí)二極管D1、D2為零電壓關(guān)斷。工作模態(tài)1的持續(xù)時(shí)間為Δt1=IoLrVin---(3)]]>(2)工作模態(tài)2[t1，t2](等效電路如圖7(b)所示)在這個(gè)階段，由于二極管D1的反向恢復(fù)，流過二極管D1的電流將由零反向增長(zhǎng)，此時(shí)D1可以等效為它的結(jié)電容Cj。因此Cj，Lr和Cr實(shí)際上是串聯(lián)在一起，而且由于Cj＜＜Cr，所以諧振電容Cr可以被忽略不計(jì)。從t1時(shí)刻開始，Cj，Lr將發(fā)生串聯(lián)諧振，流過諧振電感的電流iLr(t)以及結(jié)電容上的電壓vCj(t)分別為iLr(t)=VinZo1sinωr1t,]]>
vCj(t)＝Vin-Vincosωr1t (5)式中，Zo1=Lr/Cj,]]>ωr1=1/LrCj.]]>從而Vn1＝Vincosωr1t. (6)在t2時(shí)刻Vn1＝-VD3，VD3是箝位二極管D3的導(dǎo)通壓降，此時(shí)該階段結(jié)束。工作模態(tài)2的持續(xù)時(shí)間為Δt2=π2ωr1+1ωr1sin-1(VD3Vin).---(7)]]>(3)工作模態(tài)3[t2，t3](等效電路如圖7(c)所示)在t2時(shí)刻D3導(dǎo)通，n1點(diǎn)的電位被箝在-VD3，此時(shí)Cj與Lr的串聯(lián)諧振結(jié)束。Lr將與Cr發(fā)生串聯(lián)諧振，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)=iLr(t2)cosωrt-VD3Zosinωrt,---(8)]]>vCr(t)＝-VD3+VD3cosωrt+iLr(t2)ωrsinωrt，(9)式中Zo=Lr/Cr,]]>ωr=1/LrCr.]]>在t3時(shí)刻iLr(t)＝0，該階段結(jié)束。工作模態(tài)3的持續(xù)時(shí)間為Δt3=ctg-1(VD3ZoiLr(t2)).---(10)]]>(4)工作模態(tài)4[t3，t4](等效電路如圖7(d)所示)在這個(gè)階段，主開關(guān)管S1繼續(xù)維持導(dǎo)通，流過S1的電流仍然為輸出電流Io，但是輔助開關(guān)管和所有二極管均關(guān)斷。流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)＝0， (11)
vCr(t)＝vCr(t3). (12)模態(tài)4的持續(xù)時(shí)間為Δt4＝DTs-Δt1-Δt2-Δt3， (13)式中D為占空比，Ts＝1/fs為開關(guān)周期，而fs為開關(guān)頻率。
(5)工作模態(tài)5[t4，t5](等效電路如圖7(e)所示)在t4開通輔助開關(guān)管S2，Lr將與Cr發(fā)生串聯(lián)諧振，流過S2的電流iS2(t)由零逐漸上升，因此S2為零電流開通。在這個(gè)階段流經(jīng)主開關(guān)管S1的電流仍為Io，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)=-[Vin-vCr(t3)]Zosinωr(t-t4).---(14)]]>vCr(t)＝Vin-[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t4). (15)在t5時(shí)刻iS2(t)重新降為零，此時(shí)關(guān)斷輔助開關(guān)管S2，因此S2為零電流關(guān)斷。模態(tài)5的持續(xù)時(shí)間為Δt5=πω.---(16)]]>(6)工作模態(tài)6[t5，t6](等效電路如圖7(f)所示)由于S2已經(jīng)關(guān)斷，因此Lr和Cr只能通過D1、S1以及Vin繼續(xù)諧振。諧振電容的電壓vCr(t)由最大值逐漸下降，而電感電流iLr(t)則由零反向逐漸增大。此時(shí)流經(jīng)主開關(guān)管的電流iS1(t)從Io逐漸下降，并且在t6下降到零，此時(shí)模態(tài)6結(jié)束。在該模態(tài)中，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)=Vin-vCr(t3)Zosinωr(t-t5),---(17)]]>vCr(t)＝Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t5).(18)
模態(tài)6的持續(xù)時(shí)間為Δt6=1ωrsin-1[IoZoVin-vCr(t3)].---(19)]]>(7)工作模態(tài)7[t6，t7](等效電路如圖7(g)所示)在t6時(shí)刻電流iS1(t)下降到零，由于IGBT不能流過反向電流，所以諧振將只能通過主開關(guān)管的反并二極管繼續(xù)進(jìn)行，此時(shí)關(guān)斷S1。因此S1將是零電流關(guān)斷。當(dāng)諧振電流由Io逐漸增大到最大值，再有最大值重新降為Io時(shí)，即t7時(shí)刻，該階段結(jié)束。在該模態(tài)中，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)=Vin-vCr(t3)Zosinωr(t-t5),---(20)]]>vCr(t)＝Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t5). (21)模態(tài)7的持續(xù)時(shí)間為Δt7=πωr-2Δt6.---(22)]]>(8)工作模態(tài)8[t7，t8](等效電路如圖7(h)所示)在t7時(shí)刻，諧振電流為Io，此時(shí)流過S1反并二極管的電流為零，因此S1的反并二極管為零電壓關(guān)斷。此后，Cr，Lr，D1和電流源是串聯(lián)關(guān)系，所以流經(jīng)諧振電感的電流為Io不變，諧振結(jié)束，諧振電容開始線性放電。在該模態(tài)中，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)＝Io，(23)vCr(t)=vCr(t7)-IoCr(t-t7).---(24)]]>
在t8時(shí)刻，諧振電容上的電壓降為零，模態(tài)8結(jié)束。該模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為Δt8=CrIo{Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(Δt5+Δt6)}.---(25)]]>(9)工作模態(tài)9[t8，t9](等效電路如圖7(i)所示)在t8時(shí)刻，諧振電容上存儲(chǔ)的電能釋放完畢，電流源通過D2、D1、Lr和續(xù)流，這個(gè)階段一直維持到t9時(shí)刻，此時(shí)開通S1，下一個(gè)周期重新開始。在該模態(tài)中，流過諧振電感的電流iLr(t)以及諧振電容上的電壓vCr(t)分別為iLr(t)＝Io，(26)vCr(t)＝0. (27)模態(tài)9的持續(xù)時(shí)間為Δt9=Ts-DTs-2πωr+Δt6-Δt8.---(28)]]>通過上面的分析，可以得出該buck變換器在一個(gè)周期的主要波形，如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，要確保該新型ZCS-PWM buck變換器在不過載的情況下都能實(shí)現(xiàn)ZCS軟開關(guān)的唯一條件就是必須滿足下列不等式Io,max≤VinZo,---(29)]]>式中，Io，max是輸出電流的最大值。
根據(jù)以上分析，研制了一臺(tái)基于圖4所示ZCS-PWM開關(guān)單元電路的buck變換器樣機(jī)，輸入電壓Vin＝100V，額定輸出電壓Vo＝60V，額定輸出功率Po＝300W，開關(guān)頻率fs＝30kHz，諧振電感Lr1＝Lr2＝6μH，諧振電容Cr＝100nF，濾波電感Lo＝1mH，濾波電容Co＝470μF。樣機(jī)S1、S2選用G25N120，D1、D2、D3選用HFA25TB60。滿載和10％負(fù)載情況下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖10所示的分別是滿載和10％負(fù)載情況下沒有箝位二極管D3時(shí)開關(guān)管的電壓波形。變換器的效率曲線如圖11所示。
以上試驗(yàn)波形說明了該buck變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，開關(guān)管的電壓應(yīng)力以及電流應(yīng)力都很小，能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換器的效率較高，電磁干擾較小等優(yōu)點(diǎn)。
圖5所示的其他變換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的原理與上述buck變換器是相似的。
權(quán)利要求
1.一種ZCS-PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管(S1)和與主開關(guān)管(S1)反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管(S2)，輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感(Lr)和輔助二極管(D2)，輔助二極管(D2)并聯(lián)有電容(Cr)，輔助二極管(D2)的陰極與諧振電感(Lr)連接，其特征在于，主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管(D1)；與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極連接的支路并聯(lián)有一個(gè)箝位二極管(D3)。
2.如權(quán)利要求1所述的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，其特征在于，箝位二極管(D3)的陰極與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管(D2)的正極連接。
3.如權(quán)利要求1所述的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，其特征在于，主二極管(D1)的陰極與主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極連接，陽極與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極連接。
4.一種ZCS-PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管(S1)和與主開關(guān)管(S1)反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管(S2)，主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感(Lr)和輔助二極管(D2)，輔助二極管(D2)并聯(lián)有電容(Cr)，輔助二極管(D2)的負(fù)極與諧振電感(Lr)連接，其特征在于，主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極之間設(shè)有一個(gè)主二極管(D1)，該主二極管(D1)的陽極與主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極連接，陰極與輔助開關(guān)管(S2)的發(fā)射極連接；與主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極連接的一條支路并聯(lián)有箝位二極管(D3)。
5.如權(quán)利要求4所述的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，其特征在于，箝位二極管(D3)的陰極與主開關(guān)管(S1)的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管(D2)的陽極連接。
6.一種ZCS-PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，功率回路包括主開關(guān)管(S1)和與主開關(guān)管(S1)反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管(S2)，輔助開關(guān)管(S2)的集電極連接有一條諧振支路，該支路包括相串聯(lián)的諧振電感(Lr)和輔助二極管(D2)，輔助二極管(D2)并聯(lián)有電容(Cr)，輔助二極管(D2)的陽極與諧振電感(Lr)連接，其特征在于，主開關(guān)管(S1)和輔助開關(guān)管(S2)的集電極之間設(shè)有主二極管(D1)，該主二極管(D1)的陽極與主開關(guān)管(S1)的集電極連接，陰極與輔助開關(guān)管(S2)的集電極連接；與輔助開關(guān)管(S2)的集電極連接的一條支路并聯(lián)有箝位二極管(D3)。
7.如權(quán)利要求6所述的ZCS-PWM開關(guān)單元電路，其特征在于，箝位二極管(D3)的陽極與輔助開關(guān)管(S2)的集電極連接，陰極與輔助二極管(D2)的陰極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ZCS－PWM開關(guān)單元電路，包括主開關(guān)回路和輔助支路，其中，主開關(guān)回路包括主開關(guān)管和與主開關(guān)管反并聯(lián)的二極管，輔助支路包括輔助開關(guān)管，輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接有一條諧振支路；支路并聯(lián)有箝位二極管。箝位二極管的陰極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接，陽極與輔助二極管的正極連接。主二極管的陰極與主開關(guān)管的發(fā)射極連接，陽極與輔助開關(guān)管的發(fā)射極連接?；谶@種電路可以得到一族直流變換器。本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，控制簡(jiǎn)單方便，功率器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力均很低、效率高、電磁干擾小、工作可靠，能應(yīng)用于高電壓大功率場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02M7/527GK1897439SQ20061008578
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者秦嶺, 謝少軍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)