一种新型的ZVS关断电路的研究
摘要:软开关技术是开关电源中的一个重要研究领域。根据磁性元件的电压极性在不同开关状态下也不同的特点,提出了一种新型的ZVS关断电路。这种关断电路所附加的元件很少,但可以实现优良的软关断效果。以CCM
Buck电路为例,对该ZVS关断电路进行了详细的理论分析。最后的实验结果证实了理论分析,
表
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明这种电路的正确性和可行性。
关键词:软开关;吸收电路;零电压开关 引言
软开关(ZVSZCS)技术可以显著地减小开关损耗,是开关电源的一个重要研究领域。迄今为止,实现软开关的
方案
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很多,归纳起来可以有以下几种不同形式:
1)直接利用谐振实现的谐振软开关,它可以实现良好的软开关效果,但却需要采用变频控制策略,使磁性元件的设计难以优化;
2)利用辅助开关实现的有源软开关技术,可以实现PWM控制策略,并达到很好的软开关效果,但它需要辅助开关管及其控制驱动电路,不利于增加开关电源的功率密度,可靠性也有所降低;
3)采用无损吸收电路实现软开关技术,仅需要附加少量无损元器件(电容、电感和二极管),就可以实现软开关[1][2][3][4][5][6][7],且可以采用PWM控制,便于设计磁性元件。
本文提出了一种新型的无源无损ZVS软开关电路,它利用主电感电压极性跟随开关状态改变的特点,来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电。该电路具有使用元器件少,无需额外的辅助开关,且软开关效果好,控制方便等许多优点,研究结果证明该电路是可行的。
1 新型的磁耦合式ZVS关断电路
如图1所示,新型的ZVS关断电路所包含的元器件很少:小电容Cs和二极管Ds,用于实现主开关的ZVS关断;小电感LR、二极管DR和主电感的耦合电感Lmc,给Cs创造充电的准谐振条件。将图1中的A~E各个端点连接到电路的恰当位置,就可以为具体电路构造ZVS关断条件。
图2所示为一个带新型磁耦合式ZVS关断电路的Buck拓扑,虚线所包围部分为附加上去的ZVS关断电路。 图1、2
这种新型的关断电路可推广到所有带单开关的基本拓扑中,如图3所示。 图3 带新型ZVS关断电路的基本拓扑
由于Cuk、Sepic和Zeta拓扑都含有两个主电感,这两个主电感的电压极性都随着开关状态发生改变,故它们都可以用于构造新型的ZVS关断电路。
2 带新型ZVS关断电路的CCM Buck拓扑的工作原理 以CCM
Buck电路为例,说明新型ZVS关断电路的工作原理。为方便电路分析,做如下假设: 1)输入电压Vin为恒定值;
2)输出电容Co足够大,输出电压Vo恒定; 3)所有元器件都是理想的,忽略其寄生参数;
4)耦合电感可视为励磁电感Lm和一个理想变压器组成,励磁电流Im为大于零的恒定值。
电路共有5个工作模态,如图4所示,其工作波形如图5所示。通路用粗线表示。 图4 电路各个工作模态图 图5 各个工作模态的主要波形图
模态1〔t0-t1〕 t0时刻,电容Cs放电完毕,Do实现ZVS开通,电路进入Lm放电状态,其电流为Im。 模态2〔t1-t2〕
t1时刻,S开通。输入电流iin马上跃升到Im,输出二极管Do立即关断(S和Do这时都不是软开关,这不是本文研究的
内容
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)。S开通后,V1的极性变为正,其感应电压V2也跟着变为正;Cs和LR在V2作用下发生串联谐振。设耦合电感的变比为N2/N1,则有:
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