一種新穎的有源箝位ZVS—Boost變換器

摘要：提出了一種新穎的有源箝位ZVS—Boost變換器。通過采用一只輔管和一只箝位電容，可以在不用多加任何磁性元件的情況下，使主管和輔管實(shí)現(xiàn)ZVS。為了消除整流二極管的電壓振鈴，增加了一只二極管。試制了一臺(tái)50tlW／193 kHz的樣機(jī)來驗(yàn)證理論分析。在輸入90 V滿載時(shí)效率高于94％．關(guān)鍵詞：有源箝位；ZVS；Boost 中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：0219 2713(2005)06-0012-05 0 引言 在中大功率領(lǐng)域中，為了實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、低輸入電流THD，應(yīng)用最廣的電路拓?fù)涫荁oost拓?fù)?。但這種技術(shù)的最大缺點(diǎn)是整流二極管的反向恢復(fù)問題。二極管的反向恢復(fù)阻止了開關(guān)頻率、功率密度和效率的提高。為了提高效率和功率密度，近年來提出了一此技術(shù)[1][2][3][4][5][6]來改善這種情況。使用兩個(gè)耦合輸入電感[1]，整流二極管的反向恢復(fù)得到了改善，而且電路比較簡單。但是開關(guān)損耗仍舊較高，并且二極管上的電壓振鈴較大。采用輔管換流電路[2]雖然主管可以實(shí)現(xiàn)ZVS，但輔管是硬開關(guān)。在文獻(xiàn)[3]中，雖然主管和輔管都可以實(shí)現(xiàn)ZVS，但是由于整流二極管的寄生電容，使整流二搬管承受電壓振鈴。采用一個(gè)輔助箝位二極管[4]，電壓振鈴可以消除。采用有源箝位，所有開關(guān)都能實(shí)現(xiàn)ZVS[3][6]，但是主管和副管串接在一起，開關(guān)管上的導(dǎo)通損耗大[5]，而在文獻(xiàn)[6]中，有源箝位電路過于復(fù)雜，采用的元器件數(shù)目相對多．這將會(huì)同時(shí)增加成本和導(dǎo)通損耗。為了同時(shí)減小輔助電路的元器件數(shù)量和導(dǎo)通損耗，本文提出了一種新穎的基于有源箝位ZVS-Boost變換器的單相功率因數(shù)校正器(PFC)來有效地改善上述問題。在不用多加任何磁性元件的情況下，使主管和輔管實(shí)現(xiàn)ZVS，消除了整流二極管的電壓振鈴，提高了效率和功率密度。 1 電路基本工作原理 電路原理圖如圖l所示。兩個(gè)輸入耦合電感可以共用一個(gè)鐵氧體磁芯，耦合電感的漏感用Lik表示，這個(gè)漏感用來減小Boost二極管Dt的反向恢復(fù)。耦合電感的匝比可以≥l。電容Cc是用來在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為漏感Lk充放電，所以Cc的值較大，并且Cc上的電壓保持常數(shù)。電容Cs1，CDc,Csa,CD1是開關(guān)和二極管的寄生電容。輔管Sa和箝位二級管D1用來消除Boost整流二極管D1的振鈴。為了簡化分析，假設(shè)箝位電容Cc上的電壓Vc在一個(gè)周期內(nèi)保持不變，同時(shí)忽略Lin1和Lin2的紋波電流，并且取N1:N2=1來分析該電路的工作原理。 電路在一個(gè)周期內(nèi)可分為8個(gè)不同的工作模式，波形如圖2所示。圖3給出了相對于圖2波形的等效電路。下面對每個(gè)工作模式作具體地說明。 模式l[t0-t1]在t0時(shí)刻，主管S1導(dǎo)通，輸入電壓源Vin給電感Lin2充電。此時(shí)電流i2等于iin能量存儲(chǔ)在電感Lin2，存儲(chǔ)在電感Lin2上的能量在t0之前的時(shí)間段里由于耦合，完全傳遞到電感Lin1。此時(shí)，不考慮振鈴影響，D1和輔管Sa上的電壓為(Vo+Vc)。這個(gè)階段在t1時(shí)刻S1關(guān)斷時(shí)結(jié)束。 模式2[t1"t2]在t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，所有的寄生電容在這段時(shí)間開始充放電。當(dāng)S1的寄生電容Cs1充電壓vCs1達(dá)到[Vo+Vc]時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束。Vc的電壓可通過式(1)計(jì)算。 式中：fs為開關(guān)頻率； D為占空比。 模式3[t2"t3]在t2時(shí)刻vcs1的電壓充到(Vo+Vc)時(shí)．D1和Sa的體二極管導(dǎo)通。實(shí)現(xiàn)Sa的ZVS。在t2時(shí)刻，部分電流流過箝位二極管Dc，此時(shí)iDc=iin%26;#215;CD1/(CD1+Cs1+Csa)。因?yàn)镃Dc比其他的寄生電容小很多，所以可以忽略不計(jì)。在這個(gè)階段內(nèi)，電流iDc以斜率-Vc/Lik減少，同時(shí)i2也以與iDc同樣的斜率減少。當(dāng)iDc下降到零時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束。 模式4[t3"t4]在t3時(shí)刻iDc減小到零時(shí)，箝位二極管Dc關(guān)斷，i2繼續(xù)以斜率-Vc/Lik減小，當(dāng)i2減小到-Iin時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束，此時(shí)i1=2Iin。 模式5[t4"t5]在t4時(shí)刻，Sa關(guān)斷，此時(shí)寄生電容Csa和Cs1分別被充電和放電。當(dāng)vsa的電壓達(dá)到(Vo+Vc)時(shí)，S1的體二極管導(dǎo)通，這個(gè)階段結(jié)束。 模式6[t5"t6]在t5時(shí)刻主管S1的體二極管導(dǎo)通．實(shí)現(xiàn)S1的ZVS。同時(shí)在t5時(shí)刻．D1和S1的換流開始，當(dāng)iD1的電流減小到零時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束。 模式7[t6"t7]在t6時(shí)刻iD1=0此時(shí)寄生電容Cd1將與漏感Lik諧振，當(dāng)D1上的電壓vCD1為零時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束。 模式8[t7"t8]在t7時(shí)刻vCD1=0,諧振期結(jié)束，此時(shí)，Dc導(dǎo)通。然后由于諧振，Iin和i2的差值電流流過Dc，并且以斜率-Vcs/Lik減少。當(dāng)iDc=0時(shí)，這個(gè)階段結(jié)束。 這里只介紹一個(gè)周期的工作情況，下個(gè)周期如同這個(gè)周期一樣地循環(huán)，在這里不做重復(fù)說明。 　 　 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證上述的工作原理和理論分析，做了一個(gè)輸入為直流90～150V，輸出為直流350V，功率500W，頻率193 kHz的DC／DC變換器樣機(jī)。這個(gè)電路中所用到的參數(shù)如表l所列，其中所有的參數(shù)和圖I的主電路中所標(biāo)注的是相對應(yīng)的。圖4和圖5給出了主管和輔管的ZVS工作過程，從圖中可以發(fā)現(xiàn)主管S1和輔管Sa均實(shí)現(xiàn)了ZVS，并且它們的漏一源極電壓箝在DC 440V左右。圖6給出了整流二極管D1的電壓波形，從圖中可以看出二極管上的電壓振鈴被箝位二極管Dc消除了。圖7給出了在滿載情況下，流過Lin2的電流。圖8給出了輔管sa的電流波形。圖9給出了主管S1的電流波形。這些波形與上述理論分析基本一致。圖10給出了效率曲線，在輸入90V時(shí)，在375W左右效率最高，而在150V輸入時(shí)，效率在475W左右時(shí)最高。 3 結(jié)語 本文提出了一種新的ZVS-Boost DC／DC變換器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論分析。采用一個(gè)簡單的有源箝位電路，所有的開關(guān)都實(shí)現(xiàn)了zvs，在高頻下實(shí)現(xiàn)了高效率。這種變換器也可以應(yīng)用在功率因數(shù)校正方面，相對于傳統(tǒng)的硬開關(guān)CCMBoost功率田數(shù)校正，它具有高功率目數(shù)，高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)。