高频电力电子电路之无源软开关技术的研究

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第 10卷

第 2期

集美大学学报 (自然科学版 )
Journa l o f Ji e iU n ive rsity( N atura l Sc ience) m

V o.l 10 N o 2 . Jun 2005 .

2005年 6月

[ 文章编号 ] 10

07- 7405( 2005) 02- 0134- 08

高频电力电子电路之无源软开关技术的研究
林 周 布
(福州大学电气工程与自动化学院, 福建 福州 350002)

[ 摘要 ] 引入了侧重 物理意义的类比分析方 法. 通过 对电路与 开关状 态的类 比分析, 导出了具 有开关 状态互补的无源软开关 新技术. 对其在 Boo st变换 器的应 用电路进 行了理 论分析 与实验 测试, 结果 证明该 新技术除了能有效地对 开关元件进行缓 冲外, 还 具有暂态 能量再 生简单、 有较宽的 软开关 工作 条件 范围、 较低的成本与较低的电 压尖峰性能. [ 关键词 ] 电力电子电路; 类比分析; 软开关; 无源 [ 中图分类号 ] TM 46 TN 71 ; [文献标识码 ] A

0 引言
由于功率电子器件开关状态的受控制特性、半导体器件的非理想化开关行为以及电路寄生与分布 参数等作用, 导致电子器件在开关暂态中出现了硬开关效应, 即在开关过渡时间, 电压或电流会出现 高变化率的脉冲峰, 同时两者还有很大的波形交叠区. 因此, 硬开关必然造成电路损耗大、电磁干扰 严重、可靠性降低, 而且这种电路缺陷在较高频率下更加严重. 传统的有损缓冲技术 ( snubber) 虽 然减轻了硬开关效应, 提高了器件的可靠性, 但是由于缓冲能量要用附加的大功率电阻直接消耗掉, 因此不但不能解决电路损耗大这个根本缺陷问题, 而且缓冲能量要通过开关器件对电阻器泄放, 还带 来开通损耗较大等缺陷问题. 解决硬开关缺陷的有效方法是用软开关电路
[ 1~ 3 ]

. 现有的软开关技术分

为两大类, 其一为有源变频谐振型软开关技术; 其二为恒频 P WM (脉冲宽度调制 ) 缓冲型软开关技 术. 缓冲型软开关技术又可以再分为两小类, 一小类为有源 PWM 软开关技术, 其技术特征是要附加 辅助有源开关与二极管、电感器、电容器等无源无损元件, 结合特定的控制电路, 由辅助有源开关控 制谐振网络, 使开关在暂态换流期间为零电压与零电流式的双零开关, 因此软开关效果较好; 另一类 为无源软开关技术, 其电路特征是全部以附加的无源无损元件构成软开关电路, 除了能强化开关器件 的过渡缓冲, 达到零电流开通与零电压关断外, 还能使开关换流期间发生的暂态能量得到再生利用. 虽然无源技术所得到的软开关效果不如有源技术好, 但它的电路较简单, 而且不需额外的控制电路, 也不必改变原有的 P WM 控制模式, 这就不会因附加了软开关电路而带来成本的较大提高与可靠性的 降低等难题. 存在有电感器、电容器元件的变换器电路, 恒频 PWM 控制方法较变频控制方法优越; 因此, 从性价比来考虑, 无源软开关技术可能是软开关技术的发展趋势
[ 4]

.

附加的软开关电路必然提高了电路的复杂度, 因此有必要研究无源软开关电路的拓扑理论. 文献 [ 5] 通过对无源无损元件特性的分析, 结合图论知识, 分析可能构成的缓冲电路及其能量再生电路, 用电路综合方法获得无最小电压应力 ( non- MVS)
[ 6]

与有最小电压应力 ( MVS)

[ 7]

两大系列无源软开

[ 收稿日期 ] 2004- 11- 04 [ 基金项目 ] 福 建省自然科学基金项目 ( A 0210010) [ 作者简介 ] 林 周布 ( 1952- ), 男, 副教授, 从事高频电力电子技术及其应用的研究.

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关电路元胞, 再插入到电力电子硬开关电路中去. 其元胞电路特点是要附加一个大容量电容器 C b 作 为较低电压的中介源 U b ( t) , 来协助完成开关暂态缓冲及其能量再生功能, 因而, 缓冲能量的再生复 位不能直接完成, 暂态能量的传输次数较多, 电路参数相互影响较大, 设计较困难, 而且这种方法突 出了数学作用, 使得物理意义不清晰. 文献 [ 8 9] 分别采用称之为系统研究方法与结构化研究方 , 法, 以文献 [ 10] 提出的软开关电路作为元胞, 并以其分别在两个不同输入输出电压关系的基本非 隔离型 DC /DC 变换器上的应用为基础, 分析由此构成的两级软开关电路的级联网络, 再进行网络简 并而构成一级软开关电路, 主要缺点是推导过程复杂, 而且仅以一个无源软开关元胞为基础做研究有 其特殊性, 共性不足. 必须指出, 上述研究都是以电路观点来进行的, 存在着忽视电磁场作用的研究 缺陷. 在高频软开关技术中, 由于电路工作频率较高, 因此必须限制涉及电磁场效应的电路拓扑. 即 不应发生如下现象: 1) 暂态能量由于间接再生而复位, 需要在电路中多次传输; 2) 持续时间较长 的电流环路; 3) 电压或电流对时间的高变化率.

1 用类比分析法研究无源软开关技术
一般人们研究软开关技术都是以电感电流连续模式 ( CCM ) 的 Boost DC /DC 变换器电路作为典 型例子. 这是因为该电路正大量地作为较大功率的功率因数校正电路, 此外, 它亦包含了硬开关电路 所发生的暂态能量及其相关的缺陷问题, 这就是: 1) 有源开关开通时发生的 di / dt 暂态磁能及其开 通损耗与电磁干扰; 2) 有源开关关断时发生的 dv / dt 暂态电能及其关断损耗与电磁干扰; 3) 整流二 极管高速关断时发生的反向恢复电流及其恢复损耗与电磁干扰. PWM 硬开关变换器电路拓扑的研究已经很完善, 已提出有简洁拓扑的系列开关变换器
[ 11 ]

. 无源

软开关技术分为开关暂态的无源缓冲与缓冲能量的无源无损复位两部分电路. 其中暂态缓冲部分电路 已被确定, 它与有损缓冲器的缓冲电路类似, 有差异的只是前者由于有无损复位电路的支持, 缓冲元 件要取强缓冲效果的参数值. 从电路的控制来看, 附加在硬开关变换器上的缓冲能量无源无损复位电 路, 只能借助变换器中有源开关的状态变化, 才能使暂态缓冲能量返回到输入源或传输到输出负载而 再生
[ 12]

. 故它具备了与 DC /DC 变换电路的拓扑相似性, 容易应用侧重物理意义的类比分析法

[ 13]

进

行无源软开关电路拓扑的研究. 任何 DC /DC变换器, 从电路拓扑来看都是受约束的有向双口非线性网络. 将处理暂态能量的无 源软开关变换器电路看作非线性集总电路, 就可以将电路理论中也适用于非线性集总电路的特勒根定 理 ( T e llegen s T heo re ) 应用于此. 特勒根定理指出电网络在任何时刻都满足瞬时功率守恒. 如果把 m 电路元件理想化并忽略线路损耗, 则对于附加在硬开关变换器上的无源软开关电路, 由于它全部是由 无源无损组成, 因此可以看成是一个处理无功功率的电网络单元. 由于开关变换器的工作时序是开通 导通 关断 断开, 又由于旁路并联在开关器件上的关断缓冲电容器, 可以在开关关断时将串联在 开关器件上的开通缓冲电感器中的磁能全部吸收掉, 这样, 开关变换器中的暂态能量再生复位问题, 最终就变为如何设法将关断缓冲电容器中的电能, 借助有源开关的通或断两个状态, 用无源无损方式 向输入源或输出负载完全释放掉的问题. 因此, 同样在电路理想化的前提下, 以关断缓冲电容器的能 量再生复位为出发点, 用类比方法从 DC /DC变换器电路中直接找出能完成能量再生而复位的无源无 损电路, 必然可行. 由此提出以特勒根定理为基础的, 通过类比分析法, 以无源方式获取暂态能量无 损复位电路的做法: 1) 将输入直流电压源分解为只输出负载电阻电力的直流电压源 Uir与只完成电力转移而不直接做 功的直流电压源 U ic ; 2) 将硬开关 DC /DC 变换器分解为两个正交的独立电路, 其中一个是只含有电阻元件与电压源

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U ir的有功电力处理电路, 另一个是除前者之外的无功电力处理电路; 3) 直接从无功电力处理电路获取暂态能量再生复位电路; 4) 获取的能量再生复位电路只是构成无源软开关电路拓扑的一个必要条件, 它表示输入直流电 力有可能被无损转移. 因此无源软开关电路拓扑的充分条件, 应由电路定律导出该电路的电能再生表 达式及其元件参数的取值要求. 以典型的 Boost硬开 关变换器 作为上 述类比分析法的示例图, 如图 1( 1) 所示. 电容器因关断缓冲而吸收的暂态电能, 以 初始电势为 UC ( 0) 来表示. 图 1( 2) 为附 加在 Boost硬开 关变换器上的暂 态能量再 生复位电路拓扑图, 其中在 B 节点处必须 有一个与有源开关同步工作的串联升压网 络, 该网络可以使电容器的电能完全传输 给输出负载而得到暂态电能再生复位 (即 UC s1 ( t ) = 0) . 容易证 明, 对 Boost 变换 器, 该串联升压网络只能接至变换器输出 U o 端, 而不 允许 接至 变换 器输 入 U i 端, 否则会因出现连续的电流环路而不满足变 换器功能. 对图 1( 2) , 若用一个 小容量 电感器 L r 取代该串联升压网络, 构成暂态 电能再生与复位电路; 则电路拓扑要求电 容器 C s1中的电势能, 在有源开关 Vs1 导通时, 通过电感器 L r 与隔离二极管的作用传递到输出 Uo 端. 在理想电路条件下, 设 t0 = 0 有 uC s1 ( t) , 电流 iCs1 ( t ) 与电压 uCs1 ( t) , 分别为: [ UC ( 0) - Uo ] sin
t r1

uL r ( t ) + U o , 再由电路微分方程导出缓冲电容 C s1的放电 t / Z r1 iC s1 ( t)
r1

( 1) t ( 2)

uC s1 ( t ) = UC ( 0) 其中, 谐振频率
r1

0

iC s1 ( t) dt /C s1

Uo + [ UC ( 0) - U o ] cos L r /C s1 .

= 1/

L r* C s1 , 谐振阻抗 Z r1 = t =

设式 ( 1) 与式 ( 2) 都等于 0 联立解这两个方程. 式 ( 1) 的解确定了电容器的电能完全再生复 , 位的时刻, 这个时刻就是
r1

时; 由此得到谐振半周期 T r 1 /2 的表达式为: T r1 /2 =

/

r1

=

L r* C s1 , 电容器电能完全再生的充分条件是: iC s1 ( t) = 0与 uC s1 ( t) 完全再生的充分条件的数学表达式为: UC ( 0) 2Uo ,

0, 最后得出电容器电能 ( 3)

式 ( 3) 指出缓冲电容器 C s1电压要大于输出电压才能满足放电条件. 因此, 如果不能满足式 ( 3) 这个 电能再生条件, 那么此类再生电路就不能单独作为无源软开关的缓冲能量再生与复位电路. 图 1( 3) 为通过电路类比, 用一个与变换器电感 L 1 (N p ) 共用同一个磁芯的辅助耦合绕组 N a ( 见 虚线框 ) 取代上述串联升压网络构成暂态电能再生与复位电路. 在有源开关导通时, 利用与主电感 耦合的辅助绕组的感应电势与关断缓冲电容器的电势成叠加状态, 将电容器的电势提高, 结合耦合电 感器 Lm 的漏电感 L k = L r 组成谐振电路, 就可以直接将电容器的电量对输入电压源或输出电压汇放 电; 其主要特点是所用再生元件数量少, 电路简单, 可以一次性地直接完成暂态能量的再生
[ 14]

. 这

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就是文献 [ 15 16] 提出的无源软开关电路, 在该文献中通过对无源无损软开关电路特性的分析, , 用网络定理证明了这种电路具有最简电路拓扑. 但是该电路也必须满足式 ( 3) 这个电容器电能完全 再生条件, 因而, 当开关占空比较大时, 不能实现暂态能量的完全复位, 从而影响了缓冲效果. 因 此, 对于开关占空比超过 0 5的变换器, 就要求辅助绕组对原边主绕组的匝数比大于 1. 这样做虽然 . 可以解决能量再生问题, 但因漏感较大而产生的电压尖峰较严重, 必须将二极管 D 1 的耐压容量提高. 文献 [ 17] 选用匝数比为 1 21的折中方法来处理这个问题; 但不能解决因电压尖峰大而伴随的电磁 . 干扰大的问题. 图 1( 4) 为通过开关状态类 比分析在图 1( 3) 的基础 上导出的 新型无源 软开关 Boost电路. 图 1 ( 4) 中有源开关 Vs1的关断缓冲由电容器 C s1、二极管 D s1组成; 续流二极管 D 1 的关断缓冲由电容器 C r1、二极管 D r2组成. 这两个电容器与二极管的串联缓冲支路中的两个连接点分别接在与变换器电感 L 1 (N p ) 共用同一个磁芯的耦合绕组 N a 的同名端上以及二极管 D r 1的阳极上, N a 的非同名端则与二极 管 D r1的阴极串接, 构成暂态电能再生复位电路
[ 18 ]

. 可以发现, 对于图 1( 4) 电路, 若不用耦合绕组

N a, 而将这两个串联缓冲支路中的连接点直接用二极管 D r1串接在一起, 则其拓扑类似文献 [ 6] 提 出的 MVS软开关元胞. 在 MVS元胞中, 为了限制有源开关关断时二极管 D s1、D r1、D r2对续流二极管 D 1 的旁路导通作用, 就得要求将电容器 C r1的量值取比缓冲电容器至少高一个数量级. 但这就要花较 长的时间来使能量复位, 造成高频 PWM 软开关电路的控制参数占空度 ( 导通时间与开关周期之比 ) 受限制, 软开关的工作范围要缩小. 在此电路拓扑基础上, 若还在任一个二极管支路上附加另一个较 大量值的谐振电感器, 其拓扑类似文献 [ 7] 提出的 non MVS 软开关元胞; 此时电容器 C r1的量值要 求更大. 虽然 non MVS元胞依靠多了一个谐振电感器, 在有源开关关断时缓冲二极管支路的电流量 值能被限制, 使软开关工作范围扩大. 但谐振元件的增加使得电路阶数很高, 更易于因发生寄生参数 振铃而引起额外损耗, 而且由于用较大的 C r 1, 使得二极管电流较大, 附加谐振电感器在断态也可能 会处于长导电状态而增加损耗, 故不适合小占空比的电路工作条件. 因此文献 [ 5] 认为, 只有在一 些相对立的要求得到折中前提下, 软开关变换器的优化设计才有可能. 图 1( 4) 电路与其它电路具有 本质上的不同. 在图 1( 4) 电路中, 两个电容器都是作为缓冲吸收元件, 它们的容量相同, 数值较 小; 当有源开关的工作状态与续流二极管的工作状态处于互补时, 由于得到缓冲电感 L s1和缓冲电容 C s1的支持, 可以使暂态能量的再生复位过程也处于缓冲状态, 而且通过这两个电容器在开关不同阶 段的吸收作用, 还使耦合电感器漏感产生的负面效应得到有力的抑制. 故可以把提出的新型无源软开 关网络称为开关状态互补式无源软开关技术.

2 开关状态互补无源软开关电路的理论分析
对图 1( 4) 电路, 建立其一个周期各工作阶段的等效电路, 这里用电压汇表示输出大电容与负载 电阻的并联电路, 如图 2所示. 结合等效电路, 对该电路的缓冲能量再生与复位特点进行简要的理论 分析如下
[ 18]

: t < t1, 为有源开关 Vs1开通换流阶段. t < t2, 为 D 1 因关断出现反向恢复电流 irr 阶段. 在此阶段, D 1 与 N p 的连接点 A 的电势

1) t0 2) t1

UA 随着开关管电压 uV s1的变化而逐渐变低, 导致 N a 绕组感应电势 UN a 的量值逐步升高, 缓冲电容电 压 uC s1通过与 UN a 的叠加而逐步提高电势对电容器 C r 1放电, C r1以缓冲方式被充电. 此时,
t- t1

uC r1 ( t) = 由于二极管 D r2作用, C r1的电压被嵌位.

0

iC s1 ( t) dt / C r1

UO .

( 4)

138 3) t2

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t < t3, t3 时电容器 C s1的电能放电结束. 根据式 ( 4) , 当 C r1的充电电压达到 UO 时, iC s1

的电能将由 D r2传递给输出负载. 此外, 电容器 C r1的量值不必太大, 所取量值根据库仑定律及电容的 谐振倍压特性可以表达为 C r1 = C s1* UCs1m /2UO. 4) t3 t < t4, 为漏感磁能再生阶段. 当 t3 时 UCs1为零, 二极管 D s1由于正向偏置而导通, 耦合 电感器的漏感 L k 的磁能以电流 ids1的形式通过 D s1、D r1、D r2 流入输出负载. 此时, 由于谐振电感由 L k + L s1组成, 谐振电容由 C r1组成, 故 idr 1的谐振周期扩大. 5) t4 6) t5 t < t5, 为 Vs1正常导通阶段, 因二极管 D r2嵌位作用, uCr 1 ( t) 又回到等于 UO 的状态. t < t6, 为 Vs1关断换流阶段, 该阶段的电容缓冲同通常的关断缓冲电路一样. 与后者不同

的是其能量复位电路. 随着 C s1电势的升高, uA + uCr 1的电势将超过 UO ; 此时 D r 2导通, D 1 因反偏仍 关断. C r1中的电能缓冲地转移到输出负载上. 电路方程为:
t- t5

uV s1 ( t) = uA ( t) = uC s1 ( t) = (

0

Ii dt ) /C s1

( 5) ( 6)

uA ( t) + uCr1 ( t ) = uC s1 ( t) + uC r1 ( t) = U

式 ( 4) 、式 ( 5) 与式 ( 6) 集中体现了新电路特征. 从上述理论分析可知, 用互补再生方法的无 源软开关电路, 不必用高量值的电容器和电感器, 这样暂态能量缓冲与再生复位过程都很短, 一般不 影响软开关的工作范围, 而且随着被缓冲的开关器件状态变化, 连接点 A 的电势也同步缓冲变化, 经耦合电感器的感应电势、电容器 C r1及二极管 D r2的作用, 使得缓冲电容器 C s1能够完全放电而直接 复位; 而缓冲电容器的关断缓冲作用, 又使电容器 C r1的电能通过二极管 D r2的馈能通道直接完成能量 再生而复位. 这种交替充电与放电的互补特性, 保证了在高占空比下暂态能量仍能以简单方式完成能 量再生而复位, 而且电能的传递都经过缓冲或谐振过程, 显著降低了耦合电感器的负面效应. 这是本 文提出的新电路与其它无源软开关电路的重要差异.

凡是变换器中存在与图 1( 4) 相同的互补开关点 A, 都可以应用此互补再生技术. 图 3列出应用

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所提出开关状态互补式无源软开关新技术于基本的 4种非隔离型无源软开关 DC /DC 变换器的示例图. 它们都经过严格的计算机仿真研究分析, 证明这种新技术的应用完全可以成立.

3 新电路的仿真分析与实验验证
在高占空比下对图 1( 4) 电路进行了以计 算机电路仿真软件 PSp ice 为工具的仿真分析 研究. 图 4为该新 电路的仿 真结果波 形. 其 软开关效果、开 关暂态能量吸收与 通过开关 互补状态而再生复位的效果与上述 理论分析 完全一致. 对新 电路的实验样机也 进行了测 试. 在图 1( 4) 电路的实验样机中, 主要元件 的数据为: Boost开关管 Vs1用功率 MOSFET 管 I FP460 Boost二 极管 D 1 用 MUR860 其余 R , , 二极管全部用 MUR460管; Boost电感器 N p 为 0 52mH; 附加耦合绕组 N a 由于有效值电流 . 很小, 故用较细漆包线绕在绕组 N p 之外, 附 加耦合绕组 N a 绕组占变压器窗口体积不超过 Boost电感器 N p 绕组占变压器窗口体积的 1 / 10, 两个绕组间匝数比为 1 在 N a 绕组端测 , 得漏感 L k 为 21 H; 电容器 C s1与 C r1的量值 都为 2 2 nF; 电感器 L s1为 3 H; 电路工作频 . 率为 147 k z 用闭环反馈方式保持输出电压 H. 稳定在 350 V, 改变输入直流电压大小, 使开 关占空比的变化范围很宽. 图 5是 在开关管 Vs1的占空比为 0 66时有源开关与续流二极管 . 的开关过渡状态测试 波形图. 从其 中可以看 出两个开关器件的关断缓冲电容的 充放电状 态同两个开关器件处 于同步互补状态. 由于 这个特性, 有源 开关的关断电压尖 峰受到抑 制, 能量再生回路的谐振半周期 T r / 2的时间 仅约为 0. 5 s 在上 述参数取值下, 还进行 .

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效率测试比较. 当占空比大于 0 5时, 用感应电势实现暂态能量再生的技术 .

, 不能将缓冲电容

器 C s1内的电能完全释放掉因而关断缓冲效果不良, 但本文提出的新方法可以有效地解决这个问题. 测试结果表明, 在测试功率低于 600 W, 占空比为 0 55 ~ 0 75的条件下, 图 1( 4) 电路的效率能高 . . 于文献 [ 11] 电路图 1( 3) 的效率, 达 0 5% ~ 2 0% . . .

4 结论
从上述理论分析与实验结果可以得出提出, 的新技术具有成本较低、暂态能量的再生方式较简 单、软开关的工作范围很宽、能明显减小有源开关管的电压应力、无特殊的元件参数设计问题等优良 特性. 但该技术对续流二极管尖峰电压的抑制作用还稍弱. 这种对无源软开关技术所用类比分析研究方法, 显然具有物理意义明确、方法简单等优点. 更重 要的是, 利用上述方法, 拓宽了研究眼界, 丰富了对电力电子电路拓扑的研究手段, 为进一步开发出 新型的无源软开关电路提供了一条途径.

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L IN Zhou bu
( Co llege of E lectrical Eng inee ring and Au tom ation, Fuzhou U niversity Fuzhou 350002 Ch ina) , ,

Abstract The m ethod o f analogous analysis w hich g iv es em phasis on physical m ean in g : , , Through an ana logy analysis of the circuit and sw itch ing state ,

is introduced .

a new technology o f th e passive soft sw itching

operatin g in a com plem entary sw itch in g state is deriv ed The operating princip le of the circuit applied to a . boost converter is analyzed theore tica lly, and experi enta l test is perfor ed A ll this verifies that the new m m . techno lo gy not on ly has snubbed sw itches effectively bu t a lso has a few perfect perform ance such as w id er , soft sw itching range , low er cost and low er over vo ltage peaks. Therefore , it is show n that the ne proposed w it can help deepen the research research m ethod is si p le c le ar and d irect in physica l m ean in g M oreover m , . , on the passive soft sw itching circuit and search for a new circuit topo lo gy. K ey w ord s pow er electron ic c ircu i; analogous ana ly sis : t ; so ft sw itch ing; passiv e (责任编辑 朱雪莲 )



  本文关键词：高频电力电子电路之无源软开关技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。