一種兩相ZVT―PWMDC/DC變換器的分析與設計
1引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/179572.htm近幾年來,隨著軟開關技術在DC/DC變換器中的應用日趨成熟,變換器的工作頻率提高了,磁性元件以及電容的體積減小了,變換器的功率密度也隨之提高了。自80年代初美國VPEC(VirginiaPowerElectronicCenter)的李澤元教授提出了軟開關技術的概念后,軟開關技術在DC/DC變換器中的應用已分別經(jīng)歷了諧振開關階段、準諧振階段以及軟開關PWM階段。其中前兩個階段共有的兩大缺陷是:
(1)諧振元件處于功率傳輸?shù)闹麟娐分校沟瞄_關器件的電壓、電流應力增大;
(2)輸出電壓與開關頻率有關,必須采用調(diào)頻控制,因此不利于輸入、輸出濾波器的設計。
零過渡PWM技術出現(xiàn)后,受到人們廣泛的重視。零過渡PWM變換器的主要優(yōu)點是:
(1)保留了PWM技術的優(yōu)點,實現(xiàn)了恒頻控制;
(2)諧振元件與主開關并聯(lián),不參與功率傳輸,因此使主開關的電壓、電流應力大大減小了;
(3)與以往的軟開關變換器相比,能實現(xiàn)零開關條件的電源電壓、負載變化范圍更寬。
文獻1提出的兩相ZVT(ZeroVoltageTransition)PWMDC/DC變換器是多相技術與零電壓過渡PWM技術相結合的產(chǎn)物。由于使用了多相技術,減少了輸出電流的紋波,相對地增大了輸出功率。該電路的主開關是零電壓開通的,主續(xù)流二極管是零電流關斷的。
本文針對兩相ZVTPWMBuck變換器拓撲結構的特點和工作原理,推導了電壓變換比、主開關零電壓開通條件等公式,并給出了輔助諧振電路元件參數(shù)選取的依據(jù)。仿真和實驗結果驗證了推導的正確性和參數(shù)設計的可行性。
2新型兩相ZVTPWM變換器的拓撲結構及
工作原理
圖1所示為此變換器的拓撲結構。對這種Buck型兩相ZVTPWM變換器而言,當一個主續(xù)流二極管導通時,輔助電路開始工作,為相應相的開關器件提供零電壓開通條件。為了使輔助電路有高的工作效率,當輔助電路開始工作時,某一相的有源開關應該處于導通狀態(tài)。換句話說,占空比D應大于05。否則,如圖1中所示的輔助電路處理的功率約為D>05時的兩倍,因而增大了輔助電路的損耗。因此,這種兩相ZVTPWM變換器適用于需要電壓變換比高于05的場合。圖2所示為該電路在D>05時的主要波形。鑒于以上原因,以下主要對D>05時的工作原理以及電路特性做詳細的分析。
圖1兩相ZVTPWMBuck變換器
D>05時,兩相ZVTPWMBuck變換器的工作原理如下:t0時刻,主開關S1關斷,諧振電容C1以I01大小的電流放電,使諧振電容C1上的電壓線性下降。t1時刻,主續(xù)流二極管D1兩端電壓vD1降到0,D1開始續(xù)流。t2~t3階段,諧振電流線性上升階段。t2時刻,輔助開關Sr開通,諧振電流iLr流經(jīng)Dr1,并以Vs/Lr的斜率增大。t3時刻,iLr開始大于I01,主續(xù)流二極管D1斷開,諧振電感Lr與諧振電容C1開始諧振。諧振電容C1兩端的電壓以正弦規(guī)律上升,直到上升到Vs,被主開關S1的反并聯(lián)二極管鉗位在Vs,為主開關S1創(chuàng)造零電壓開通的條件。t4~t5恒流階段,由于諧振電感Lr兩端的電壓被主開關S1的反并聯(lián)二極管鉗位為零,因此諧振電感Lr中的電流保持恒定。在此階段中的任意時刻開通主開關即為零電壓開通。但在輔助開關關斷且諧振電感電流下降到I01之前,主開關中并沒有電流流過。t5時刻,輔助開關關斷,輔助回路續(xù)流二極管Dr導通,諧振電感電流開始下降,直到下降到負載電流I01時,主開關S1中才開始有電流流過。t6時刻,主開關S1的電流由零開始線性上升,諧振電感Lr中的電流繼續(xù)線性下降,直到t7時刻下降到零。在t7~t8階段,由主開關S1和S2同時為負載提供能量。
3電路主要特性
假設電路元件均為理想元件,且輸出濾波電感LO1、LO2足夠大,可近似看為恒流源。但在實際的電路中輸出電流難免有紋波,這樣IO就會有一部分電流被CO分流,因此設流過負載電阻RO的電流IRO=IO×p(0p1)。
31電壓變換比根據(jù)電感在穩(wěn)態(tài)時的伏—秒平衡特性(VLdt=0),可推導出D>05時該變換器的電壓變換比M為:
M=(1)
式中:F=fr/fs;
RO為負載電阻;Zr=,為諧振特征阻抗;
ta*=ta·fr=ta/Tr。其中:fr=1/Tr=1/2π;
fs=1/Ts為開關頻率;
ta的含義如圖2中所示。
當D≤05時,電壓變換比可近似地用下式表示:(推導從略)(2)
式中:Taux為輔助開關的導通時間。
32主開關零電壓開通的條件
為了能使主開關在零電壓條件下開通,諧振電容的電壓需在主開關開通信號到來時上升到Vs,即輔助開關需提前主開關一定的時間導通,為主開關創(chuàng)造零電壓開通條件。TL≥Δt3+Δt4=(3)
圖2D>05時的主要波形
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