直流开关电源的软开关技术及其新发展

摘　要：介绍了直流开关电源的软开关技术及其新发展, 提出了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势的结论。

关键词：谐振变换器;零开关变换器;零转换变换器;组合软开关技术

　 引言

近年来, 电力电子技术发展迅猛, 直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今, 笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性,减小体积和重量, 必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积, 增大了变换器的功率密度和性能价格比, 而且极大地提高了瞬时响应速度, 抑制了电源所产生的音频噪声, 从而已成为新的发展趋势。

然而功率变换器开关频率的进一步提高将受以下因素的限制: ①在通断瞬间切换过程中, 功率器件的开关应力。②开关损耗。③剧烈的d i/ d t 和d u/ d t 冲击及其产生的电磁干扰(EMI) 。

软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。

为此先后有人提出了谐振变换器( resonantconverter) , 准谐振变换器(quasi resonant converter)和多谐振变换器(muti resonant converter) , 零开关PWM 变换器(zero switching PWM converter) , 零转换PWM变换器(zero transition PWM converter) 及无源无损缓冲电路(passive lossless snubber circuit) 等多种软开关技术。

直流开关电源的软开关技术及其新发展

谐振变换器

谐振变换器实际上是负载谐振变换器, 在20世纪70 年代最早被提出来, 它通过在标准PWM变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到。按照谐振元件的谐振方式, 可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类; 按负载与谐振电路的连接关系, 又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振, 使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形, 开关元件在电流或电压的过零处开通或关断, 实现软开关过程。

　 准谐振变换器和多谐振变换器

20 世纪80 年代初, 美国弗吉尼亚电力电子中心(UPEC) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关, 即在基本PWM 开关上增加一些谐振元件,它也是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合, 谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM 开关串联, 利用电感中谐振电流过零点时, 使开关零电流关断; 零电压谐振开关是将谐振电容与PWM 开关并联, 利用电容两端谐振电压过零点时, 使开关零电压开通。它们各有L 型和M 型两种电路方式, 而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通, 又可分为半波模式和全波模式, 如表所示。

谐振开关实现了软开通或关断, 减少了开关损耗, 但其开关器件的通态电流或断态电压应力大。因开关器件工作频率不恒定, 为保持输出电压在各种条件下基本不变, 必须采用变频控制方法, 然而该控制方式比PWM变换器复杂, 而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计, 实现最优设计困难。因此, 谐振开关一般应用在小功率低电压而且对体积和重量要求十分严格的场合, 比如宇航电源和程控交换机的DC-DC 电源模块。

此外, 根据谐振软开关技术原理, 人们还提出过在PWM开关内综合准谐振零电流和准谐振零电压的多谐振开关, 它一般能实现开关管的零电压开关, 但还是只能采用频率控制方法。实际常常用零电压多谐振变换器, 主要是因为它吸收了开关管和整流二极管的结电容, 同时实现了开关管和整流二极管零电压开关, 而且它的开关管的电压应力与零电压准谐振相比要小得多。

　零开关PWM变换器

零开关PWM 变换器包括零电压PWM 变换器和零电流PWM变换器, 它们是在准谐振软开关的基础上, 加入一个辅助开关管, 来控制谐振元件的谐振过程, 实现PWM 控制。它只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用PWM 工作方式, 从而既能克服硬开关PWM 在开关过程中的三大缺陷, 又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。

文献1提出一种新颖的混合式全桥PWM变换器, 它不仅能在不增加导通损耗的情况下实现空载下ZVS 条件, 而且能使输入输出的滤波波形几乎为理想的, 从而减少了输入输出的滤波装置。

　 零转换PWM变换器

零转换PWM 变换器包括ZVT-PWM 变换器和ZCT-PWM变换器, 其谐振网络是与主开关并联的。

在开关转换期间, 并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后, 电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此, 零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点, 又综合了它们的优点。为此, 该类变换器在中大功率场合得到广泛应用, 并具有如下优点: ①采用PWM 控制方式, 实现恒定频率控制。②辅助电路只是在开关管开关时工作, 其他时候不工作, 而且是与主功率回路相并联, 不需要处理很大的环流能量, 从而减小了辅助电路的损耗。③辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。

　 ZVT-PWM变换器

文献2提出的普通Boost ZVT-PWM 变换器的拓扑结构, 它在主开关管S 之上, 并联了一个由谐振电容C_r (其中包含了主开关S 的输出电容和二极管VD 的结电容) 、谐振电感L_r 、辅助开关S₁及二极管VD₁ 组成的辅助谐振网络。

在每次主开关管S 导通前, 先导通S₁ , 使辅助谐振网络谐振。当S 两端电容电压谐振到零时, 导通S。当S 完成导通后, 立即关断S₁ , 使辅助谐振电路停止工作。之后, 电路以常规的PWM 方式运行。该拓扑结构在不增加电压/ 电流应力的情况下,实现了S 的零电压导通和VD 的零电流关断。但由于S₁ 是在大电流(接近谐振峰值电流) 下关断、大电压(接近输出电压) 下开通, S₁ 处于一种非常不好的硬开关环境, 因此有必要改善辅助开关管的关断条件。

为了解决普通ZVT-PWM 变换器的以上缺点,近年来人们提出了几种改进的ZVT-PWM 变换器拓扑结构, 它们均实现了主开关管和辅助开关管的软开关, 减少开关损耗。其拓扑结构及其工作原理见文献3、4。

ZCT-PWM软开关变换器

对于IGBT、MCT 等新型电力半导体器件, 在关断以后, 还有尾电流存在, 因此应用ZCT-PWM技术, 对减少关断损耗更加有效, 特别是对那些开关动作较缓慢的IGBT 器件, 而且工作与电源电压和负载范围无关, 变换器的循环能量很小。

图1a 所示是普通Boost ZCT-PWM 变换器的拓扑结构, 它能实现主开关在ZCS 下关断, 消除关断损耗。但是, 其辅助开关仍然是硬开关, 而且,其输出整流二极管存在严重的反向恢复问题, 导致大的导通损耗。虽然通过改变控制策略, 使辅助开关导通时间更长一些, 可以实现辅助开关管在ZCS下关断, 但辅助开关管的峰值电流将较大。

文献5提出了一种改进的ZCT-PWM 变换器, 只是交换了辅助开关和嵌位二极管的位置, 而辅助开关管在一个开关周期内开通两次。第一次开通是在主开关管关断, 升压二极管导通时。辅助开关管开通, 将升压二极管中的电流转移到辅助支路中去, 使二极管中的电流减小到零, 二极管自然关断。此时升压电感和辅助电感的电流相等, 而且不能突变, 因此开通主开关管为零电流开通。第二次开通是在主开关管开通, 升压二极管关断时。辅助开关管再次开通, 将主开关管中的电流转移到辅助支路中去, 并且使主开关管的反并联二极管导通,从而实现主开关管的零电流关断。

如图1b 所示, 该新颖的ZCT-PWM 变换器拓扑, 与图2a 的普通ZVT-PWM变换器相比, 该改进的拓扑在元器件数量方面没有增减, 只是改变了组合方式, 但同时实现了主开关管S 和辅助开关管S_a的软通断, 并解决了输出整流二极管VD_f 严重的反向恢复问题。其详细工作原理见文献6。

ZVZCT-PWM软开关变换器

近些年, 一些电力电子研究中心的工程师们正尽力寻求一种最优化的软开关技术, 即用尽量少的辅助元件, 实现功率半导体器件同时在零电压和零电流下转换, 综合ZVT-PWM变换器和ZCT-PWM变换器的优点, 进一步完善零转换条件。文献所介绍的一种新颖的ZCZVT-PWM 变换器, 就能实现主开关管同时在零电压和零电流下转换, 如图2a 所示。以下对其工作过程进行分析。

在分析中, 假设: ①输入电压U_i 恒定, 主电感足够大, 以致输入电流I_s 恒定。②输出电容足够大, 以致输出电压U_o 恒定。③只考虑续流二极管VD 的反向恢复电流和主开关的开关过渡时间,其他元器件均为理想元件。并设初始状态为: 主功率开关管S 及辅助开关管S_a 均为关断状态, VD 处于导通状态, U_CR1 = U₀ , 则电路在稳态时, 每个开关周期可划分为13 个模态, 相应的主要波形如图2b 所示。

模态1 ( t₁～ t₂) : 在t₁ 时刻, S_a 开通, C_R1 ,L_R 谐振, i_LR , U_CR1均增加, 直到U_CR1 = U_i , 该模态结束;

模态2 ( t₂～ t₃) : 在t₂ 时刻, VD_a2导通, i_LR继续增加, 直到i_LR = I_i , 此时VD 自然关断;

模态3 ( t₃～ t₄ ) : C_R2 , L_R 谐振, U_CR2 减小,i_LR继续增加, 直到U_CR2 = 0 ;

模态4 ( t₄ ～ t₅ ) : 在t₄ 时刻, VD_S 导通, L_R释放能量, i_LR减小, 直到i_LR = I_i , 该模态结束;

模态5 ( t₅～ t₆) : 在t₅ 时刻, S 导通, 当L_R完全释放能量时, i_LR = 0 , i_S = I_i , 该模态结束;

模态6 ( t₆～ t₇) : C_R1 , L_R 通过S 和VD_a1开始半周期谐振, 此时关断S_a ;

模态7 ( t₇～ t₈) : 该阶段与普通Boost PWM 变换器的开通状态一样;

模态8 ( t₈～ t₉) : 在t₈ 时刻, S_a 开通, C_R1 ,L_R , i_LR增加, i_S 下降, 直到i_LR = I_i , i_S = 0 ;

模态9 ( t₉～ t₁₀) : 在t₉ 时刻, VD_s 导通, S 关断, 当i_LR再次达到I_i , VD_s 关断, 该模态结束;

模态10 ( t₁₀ ～ t₁₁ ) : 在t₁₀ 时刻, C_R2 , C_R1 ,L_R 谐振, 直到U_CR1 = U_i , VD_a2导通;模态11 ( t₁₁～ t₁₂) : 在t₁₁时刻, C_R2 , L_R 继续谐振, 直到iLR = 0 , VDa1开通, VDa

关断;

模态12 ( t₁₂ ～ t₁₃ ) : 在t₁₂ 时刻, C_R2 , C_R1 ,L_R 谐振, 当i_LR再次达到i_LR = 0 时,

VD_a1关断, 此时关断S_a , 该模态结束;

模态13 ( t₁₃～ t₁₄) : 输入电流I_i 给C_R2充电,U_C2线性增加到U₀ , 此时VD 导通, 进入下一个周期。

可见, 该拓扑结构实现了主开关管S 同时在零电压和零电流条件下开通和关断, 辅助开关管S_a在零电流条件下开通, 零电压和零电流条件下关断, 输出整流二极管VD 在零电压下转换, 从而既综合了ZVT-PWM 变换器和ZCT-PWM 变换器的优点, 又克服了它们各自的缺点, 大大减小了开关损耗。

　 无源无损缓冲电路

无源无损缓冲电路, 即不附加有源器件, 只是采用电感电容和二极管来构成无损缓冲网络, 一个基本的无源无损缓冲电路一般都包含三个功能回路: ①开通缓冲回路。②关断缓冲回路。③馈能回路。常用的方法是用电感L 与功率管串联, 开通时电流只能从零增加, 因而“零电流”使开通得到软化; 用电容C 与晶体管并联, 关断时晶体管两端电压只能从零增大, 因而“零电压”使关断得到软化; 用二极管D 经过一定的拓扑网络, 在功率管开关过程中, 将L 、C 中的存储能量反馈到电源或馈送给负载。

为此, 下面介绍两种无源无损缓冲电路在PWMDC-DC 变换器中的最新拓扑结构, 一种是具有最小电压应力的无源无损缓冲电路; 另一种是再生式的无源无损缓冲电路, 如图3a 所示, 它是传统的L + RCD 复合型缓冲电路的改进。其改进点包括: ①去掉放电电阻R 。②去掉专门的功率电感器L , 巧妙地用一个同输入电感L_p 耦合的小功率绕组L_a 代替。下面分析其工作过程。

假设与上文基本相同。并设初始状态为: M_S关断, VD 开通, i_D = I_s , 则对感性负载CCM 工作情况, 稳态时每个周期可以分为以下六个模态, 相应的主要波形图如图3b 所示。

模态1 ( t₁～ t₂) : 在t₁ 时刻, 主开关管M_s 开通, 电感电流i_LS 线性增大, 流经二极管VD 的电流i_D 相应减小, 直到i_D = 0 , 该模态结束;

模态2 ( t₂～ t₃) : 在t₂ 时刻, VD 关断, CS 开始放电, 耦合绕组L_a 的感应电势使C_S 上的电势自举提高, 直到电容C_S 完全释放储能, 该模态结束;

模态3 ( t₃～ t₄) : 该模态与普通PWM Boost 变换器开通状态基本相似;

模态4 ( t₄～ t₅) : 在t₄ 时刻, 主开关管M_S 关断, 输入电流I_S 经过电感L_S , VD_s1开始给C_S 充电, 直到U_CS = U_o , 该模态结束;

模态5 ( t₅～ t₆) : 在t₅ 时刻, VD 导通, 电流i_LS线性减小, 流经二极管电流i_D 相应增大, 直到i_D = I_S , 该模态结束;

模态6 ( t₆～ t₇) : 该模态与普通PWM Boost 变换器的关断状态基本相似。

可见, 该无源无损缓冲型软开关电路的关键在于: 当M_S 在ZCS 下开通时, 因L_p 的耦合绕组L_a的感应反电势而发生电势自举, 有利于电容C_S 的储能经L_a 向负载释放; 放电完毕的C_S 又为M_S 的关断提供ZVS 条件。

　结束语

当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM 技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM 工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。

如今软开关变换器都应用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被ZCT、ZVT谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四种状态的任意组合。由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。

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