新型無源軟開關(guān)變換器

摘要：普通的PWM變換器具有結(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單、頻率恒定、輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。本文以boost基本電路為基礎(chǔ)，采用簡單的無源諧振網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)。這種新型的無源軟開關(guān)解決了輸出二極管反向恢復(fù)問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、高頻率、高效率、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)可用于以IGBT為開關(guān)器件的高壓場合。分析了該變換器的工作原理、實(shí)現(xiàn)條件、設(shè)計(jì)諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)、并進(jìn)行了仿真。
關(guān)鍵詞：軟開關(guān)技術(shù)；無源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)；無源變換器；仿真

電力電子變流技術(shù)也稱為電力電子器件應(yīng)用技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子變換電路，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。也就是說，一般從蓄電池和電網(wǎng)直接得到的電能是不能直接滿足設(shè)備和裝置使用的，必須經(jīng)過電力變換才能將電能轉(zhuǎn)化為所需要的電能，從而電力電子變換是電力電子技術(shù)的重要組成部分，電力電子變換器是開關(guān)電源的核心部分。電力電子技術(shù)在電力電子變換方面主要包括電壓、電流、頻率、波形和功率等。電力電子電路及設(shè)備通常被稱為變換器。按照電能變換功能分類，電力變換通?？煞譃樗拇箢?，即直流變直流、直流變交流、交流變交流和交流變直流。交流變交流稱為交-交變頻，相應(yīng)的變流裝置稱為周波變換器，周波變換器廣泛應(yīng)用于低頻、大功率交流調(diào)速。直流變換器按輸入與輸出是否隔離可以分為沒有電氣隔離的不隔離直流變換器和有電氣隔離的隔離直流變換器。不隔離的直流變換器按所用有源功率器件的個(gè)數(shù)，可分為單管、雙管和四管3類。單管直流變換器有6種，即降壓式Buck變換器、升壓式變換器、升降壓式變換器、Cuk變換器、Zeta變換器和Sepic變換器。在功率開關(guān)管電壓和電流額相同時(shí)，變換器的輸出功率通常與所用的開關(guān)管的數(shù)量成正比，而直流變換器按能量的傳遞來說有單向和雙向的兩種。

1 軟開關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)
1．1 硬開關(guān)技術(shù)及其不足
首先了解一下硬開關(guān)與軟開關(guān)的概念。硬開關(guān)過程是通過突變的開關(guān)過程中斷功率流完成能量的變換過程，頻率越高，損耗越大；軟開關(guān)通過電感L和電容C的諧振，使開關(guān)器件中電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時(shí)，使器件導(dǎo)通。開關(guān)器件在零電壓與零電流條件下完成導(dǎo)通與斷開的過程，使器件的開關(guān)損耗理論上為零。開關(guān)器件處于開通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，消耗的功率是比較小的，而當(dāng)開關(guān)開通狀態(tài)結(jié)束，由開通狀態(tài)向關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換，或者當(dāng)開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束，由關(guān)斷狀態(tài)向開通狀態(tài)轉(zhuǎn)換這個(gè)過程中，電流和電壓都非常大，消耗的瞬時(shí)功率比開通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)大很多倍，甚至要大幾個(gè)數(shù)量級。而且在開關(guān)管在開通和關(guān)斷的過程中電壓和電流的變化比較快，波形會(huì)出現(xiàn)明顯的過沖現(xiàn)象和振蕩現(xiàn)象，這樣會(huì)產(chǎn)出開關(guān)噪聲，而這種開關(guān)噪聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響了其他電子器件的正常工作。
1．2 軟開關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)
為了解決硬開關(guān)在開關(guān)頻率不斷提高而產(chǎn)生的不利影響，人們在這領(lǐng)域中不斷的探索和研究，提出了軟開關(guān)功率變換技術(shù)，軟開關(guān)是相對于硬開關(guān)而言的，軟開關(guān)過程是通過電感L和電容C的諧振，使開關(guān)器件中電流或開關(guān)器件兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通。
開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區(qū)，這就是所謂的零電流導(dǎo)通。開關(guān)導(dǎo)通前，使其電壓下降到零，這就是所謂的零電壓導(dǎo)通。導(dǎo)通損耗基本減小到零。如果同時(shí)達(dá)到上述兩種要求，導(dǎo)通損耗為零。
減小關(guān)斷損耗的幾種方法：1)在開關(guān)管斷開前，使其電流減小到零，這就是所謂的零電流斷開。斷開損耗基本減小到零；2)在開關(guān)管斷開時(shí)，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區(qū)，這就是所謂的零電壓斷開。如果同時(shí)達(dá)到上述兩種要求，關(guān)斷損耗即為零。

2 裝備新型無源軟開關(guān)變換器仿真
2．1 仿真軟件的介紹與選擇
IsSpice是美國Intusofi公司推出的一種商業(yè)仿真軟件，是ICAP／4軟件集成系統(tǒng)的重要組成部分。ICAP／4軟件集成系統(tǒng)主要由Spice Net、PreSPice、InSpice和IntuScope四大功能模塊組成。ICAP／4的工作流程是：首先進(jìn)入SpiceNet繪制電路圖，并生成相應(yīng)的Netlist文件，然后執(zhí)行IsSpice仿真軟件模塊，在仿真之前系統(tǒng)將自動(dòng)連接PreSpice仿真資料庫中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析處理模塊對仿真模型進(jìn)行分析處理。
PSPICE則是由美國Microsim公司在SPICE 2G版本的基礎(chǔ)上升級并用于PC機(jī)上的SPICE版本，其中采用自由格式語言的5．0版本自80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用，并且從6．0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Mic rosim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。
Saber是美國Analogy公司開發(fā)并于1987年推出的模擬及混合信號仿真軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。Analogy公司在機(jī)電一體化和電力電子設(shè)計(jì)、分析方面居世界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、電子、航空、運(yùn)輸、家用電器及軍事等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)仿真軟件不同，Saber在結(jié)構(gòu)上采用硬件描述語言(MAST)和單內(nèi)核混合仿真方案，并對仿真算法進(jìn)行了改進(jìn)，使Saber仿真速度更快、更加有效、應(yīng)用也越來越廣泛。應(yīng)用工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建立最精確、最完善的系統(tǒng)仿真模型是至關(guān)重要的。

目前，美國Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國家工程研究中心合作成立了Analogy亞洲系統(tǒng)仿真中心(ZASC)，一方面為亞太地區(qū)Saber用戶提供技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)，另一方面也承接電力電子、機(jī)電一體化和混合技術(shù)的系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并為企業(yè)培養(yǎng)系統(tǒng)仿真工程技術(shù)人才。