本文關(guān)鍵詞：高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 10卷

第 2期

集美大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)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

[ 文章編號(hào) ] 10

07- 7405( 2005) 02- 0134- 08

高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究
林 周 布
(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350002)

[ 摘要 ] 引入了側(cè)重 物理意義的類比分析方 法. 通過(guò) 對(duì)電路與 開(kāi)關(guān)狀 態(tài)的類 比分析, 導(dǎo)出了具 有開(kāi)關(guān) 狀態(tài)互補(bǔ)的無(wú)源軟開(kāi)關(guān) 新技術(shù). 對(duì)其在 Boo st變換 器的應(yīng) 用電路進(jìn) 行了理 論分析 與實(shí)驗(yàn) 測(cè)試, 結(jié)果 證明該 新技術(shù)除了能有效地對(duì) 開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行緩 沖外, 還 具有暫態(tài) 能量再 生簡(jiǎn)單、 有較寬的 軟開(kāi)關(guān) 工作 條件 范圍、 較低的成本與較低的電 壓尖峰性能. [ 關(guān)鍵詞 ] 電力電子電路; 類比分析; 軟開(kāi)關(guān); 無(wú)源 [ 中圖分類號(hào) ] TM 46 TN 71 ; [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ] A

0 引言
由于功率電子器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的受控制特性、半導(dǎo)體器件的非理想化開(kāi)關(guān)行為以及電路寄生與分布 參數(shù)等作用, 導(dǎo)致電子器件在開(kāi)關(guān)暫態(tài)中出現(xiàn)了硬開(kāi)關(guān)效應(yīng), 即在開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間, 電壓或電流會(huì)出現(xiàn) 高變化率的脈沖峰, 同時(shí)兩者還有很大的波形交疊區(qū). 因此, 硬開(kāi)關(guān)必然造成電路損耗大、電磁干擾 嚴(yán)重、可靠性降低, 而且這種電路缺陷在較高頻率下更加嚴(yán)重. 傳統(tǒng)的有損緩沖技術(shù) ( snubber) 雖 然減輕了硬開(kāi)關(guān)效應(yīng), 提高了器件的可靠性, 但是由于緩沖能量要用附加的大功率電阻直接消耗掉, 因此不但不能解決電路損耗大這個(gè)根本缺陷問(wèn)題, 而且緩沖能量要通過(guò)開(kāi)關(guān)器件對(duì)電阻器泄放, 還帶 來(lái)開(kāi)通損耗較大等缺陷問(wèn)題. 解決硬開(kāi)關(guān)缺陷的有效方法是用軟開(kāi)關(guān)電路
[ 1~ 3 ]

. 現(xiàn)有的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)分

為兩大類, 其一為有源變頻諧振型軟開(kāi)關(guān)技術(shù); 其二為恒頻 P WM (脈沖寬度調(diào)制 ) 緩沖型軟開(kāi)關(guān)技 術(shù). 緩沖型軟開(kāi)關(guān)技術(shù)又可以再分為兩小類, 一小類為有源 PWM 軟開(kāi)關(guān)技術(shù), 其技術(shù)特征是要附加 輔助有源開(kāi)關(guān)與二極管、電感器、電容器等無(wú)源無(wú)損元件, 結(jié)合特定的控制電路, 由輔助有源開(kāi)關(guān)控 制諧振網(wǎng)絡(luò), 使開(kāi)關(guān)在暫態(tài)換流期間為零電壓與零電流式的雙零開(kāi)關(guān), 因此軟開(kāi)關(guān)效果較好; 另一類 為無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù), 其電路特征是全部以附加的無(wú)源無(wú)損元件構(gòu)成軟開(kāi)關(guān)電路, 除了能強(qiáng)化開(kāi)關(guān)器件 的過(guò)渡緩沖, 達(dá)到零電流開(kāi)通與零電壓關(guān)斷外, 還能使開(kāi)關(guān)換流期間發(fā)生的暫態(tài)能量得到再生利用. 雖然無(wú)源技術(shù)所得到的軟開(kāi)關(guān)效果不如有源技術(shù)好, 但它的電路較簡(jiǎn)單, 而且不需額外的控制電路, 也不必改變?cè)械?P WM 控制模式, 這就不會(huì)因附加了軟開(kāi)關(guān)電路而帶來(lái)成本的較大提高與可靠性的 降低等難題. 存在有電感器、電容器元件的變換器電路, 恒頻 PWM 控制方法較變頻控制方法優(yōu)越; 因此, 從性價(jià)比來(lái)考慮, 無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可能是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
[ 4]

.

附加的軟開(kāi)關(guān)電路必然提高了電路的復(fù)雜度, 因此有必要研究無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路的拓?fù)淅碚? 文獻(xiàn) [ 5] 通過(guò)對(duì)無(wú)源無(wú)損元件特性的分析, 結(jié)合圖論知識(shí), 分析可能構(gòu)成的緩沖電路及其能量再生電路, 用電路綜合方法獲得無(wú)最小電壓應(yīng)力 ( non- MVS)
[ 6]

與有最小電壓應(yīng)力 ( MVS)

[ 7]

兩大系列無(wú)源軟開(kāi)

[ 收稿日期 ] 2004- 11- 04 [ 基金項(xiàng)目 ] 福 建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 ( A 0210010) [ 作者簡(jiǎn)介 ] 林 周布 ( 1952- ), 男, 副教授, 從事高頻電力電子技術(shù)及其應(yīng)用的研究.

第 2期

林周布: 高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 的研究

135

關(guān)電路元胞, 再插入到電力電子硬開(kāi)關(guān)電路中去. 其元胞電路特點(diǎn)是要附加一個(gè)大容量電容器 C b 作 為較低電壓的中介源 U b ( t) , 來(lái)協(xié)助完成開(kāi)關(guān)暫態(tài)緩沖及其能量再生功能, 因而, 緩沖能量的再生復(fù) 位不能直接完成, 暫態(tài)能量的傳輸次數(shù)較多, 電路參數(shù)相互影響較大, 設(shè)計(jì)較困難, 而且這種方法突 出了數(shù)學(xué)作用, 使得物理意義不清晰. 文獻(xiàn) [ 8 9] 分別采用稱之為系統(tǒng)研究方法與結(jié)構(gòu)化研究方 , 法, 以文獻(xiàn) [ 10] 提出的軟開(kāi)關(guān)電路作為元胞, 并以其分別在兩個(gè)不同輸入輸出電壓關(guān)系的基本非 隔離型 DC /DC 變換器上的應(yīng)用為基礎(chǔ), 分析由此構(gòu)成的兩級(jí)軟開(kāi)關(guān)電路的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò), 再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn) 并而構(gòu)成一級(jí)軟開(kāi)關(guān)電路, 主要缺點(diǎn)是推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜, 而且僅以一個(gè)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)元胞為基礎(chǔ)做研究有 其特殊性, 共性不足. 必須指出, 上述研究都是以電路觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的, 存在著忽視電磁場(chǎng)作用的研究 缺陷. 在高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中, 由于電路工作頻率較高, 因此必須限制涉及電磁場(chǎng)效應(yīng)的電路拓?fù)? 即 不應(yīng)發(fā)生如下現(xiàn)象: 1) 暫態(tài)能量由于間接再生而復(fù)位, 需要在電路中多次傳輸; 2) 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng) 的電流環(huán)路; 3) 電壓或電流對(duì)時(shí)間的高變化率.

1 用類比分析法研究無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)
一般人們研究軟開(kāi)關(guān)技術(shù)都是以電感電流連續(xù)模式 ( CCM ) 的 Boost DC /DC 變換器電路作為典 型例子. 這是因?yàn)樵撾娐氛罅康刈鳛檩^大功率的功率因數(shù)校正電路, 此外, 它亦包含了硬開(kāi)關(guān)電路 所發(fā)生的暫態(tài)能量及其相關(guān)的缺陷問(wèn)題, 這就是: 1) 有源開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)發(fā)生的 di / dt 暫態(tài)磁能及其開(kāi) 通損耗與電磁干擾; 2) 有源開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)發(fā)生的 dv / dt 暫態(tài)電能及其關(guān)斷損耗與電磁干擾; 3) 整流二 極管高速關(guān)斷時(shí)發(fā)生的反向恢復(fù)電流及其恢復(fù)損耗與電磁干擾. PWM 硬開(kāi)關(guān)變換器電路拓?fù)涞难芯恳呀?jīng)很完善, 已提出有簡(jiǎn)潔拓?fù)涞南盗虚_(kāi)關(guān)變換器
[ 11 ]

. 無(wú)源

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)分為開(kāi)關(guān)暫態(tài)的無(wú)源緩沖與緩沖能量的無(wú)源無(wú)損復(fù)位兩部分電路. 其中暫態(tài)緩沖部分電路 已被確定, 它與有損緩沖器的緩沖電路類似, 有差異的只是前者由于有無(wú)損復(fù)位電路的支持, 緩沖元 件要取強(qiáng)緩沖效果的參數(shù)值. 從電路的控制來(lái)看, 附加在硬開(kāi)關(guān)變換器上的緩沖能量無(wú)源無(wú)損復(fù)位電 路, 只能借助變換器中有源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化, 才能使暫態(tài)緩沖能量返回到輸入源或傳輸?shù)捷敵鲐?fù)載而 再生
[ 12]

. 故它具備了與 DC /DC 變換電路的拓?fù)湎嗨菩? 容易應(yīng)用側(cè)重物理意義的類比分析法

[ 13]

進(jìn)

行無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞难芯? 任何 DC /DC變換器, 從電路拓?fù)鋪?lái)看都是受約束的有向雙口非線性網(wǎng)絡(luò). 將處理暫態(tài)能量的無(wú) 源軟開(kāi)關(guān)變換器電路看作非線性集總電路, 就可以將電路理論中也適用于非線性集總電路的特勒根定 理 ( T e llegen s T heo re ) 應(yīng)用于此. 特勒根定理指出電網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)刻都滿足瞬時(shí)功率守恒. 如果把 m 電路元件理想化并忽略線路損耗, 則對(duì)于附加在硬開(kāi)關(guān)變換器上的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路, 由于它全部是由 無(wú)源無(wú)損組成, 因此可以看成是一個(gè)處理無(wú)功功率的電網(wǎng)絡(luò)單元. 由于開(kāi)關(guān)變換器的工作時(shí)序是開(kāi)通 導(dǎo)通 關(guān)斷 斷開(kāi), 又由于旁路并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件上的關(guān)斷緩沖電容器, 可以在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)將串聯(lián)在 開(kāi)關(guān)器件上的開(kāi)通緩沖電感器中的磁能全部吸收掉, 這樣, 開(kāi)關(guān)變換器中的暫態(tài)能量再生復(fù)位問(wèn)題, 最終就變?yōu)槿绾卧O(shè)法將關(guān)斷緩沖電容器中的電能, 借助有源開(kāi)關(guān)的通或斷兩個(gè)狀態(tài), 用無(wú)源無(wú)損方式 向輸入源或輸出負(fù)載完全釋放掉的問(wèn)題. 因此, 同樣在電路理想化的前提下, 以關(guān)斷緩沖電容器的能 量再生復(fù)位為出發(fā)點(diǎn), 用類比方法從 DC /DC變換器電路中直接找出能完成能量再生而復(fù)位的無(wú)源無(wú) 損電路, 必然可行. 由此提出以特勒根定理為基礎(chǔ)的, 通過(guò)類比分析法, 以無(wú)源方式獲取暫態(tài)能量無(wú) 損復(fù)位電路的做法: 1) 將輸入直流電壓源分解為只輸出負(fù)載電阻電力的直流電壓源 Uir與只完成電力轉(zhuǎn)移而不直接做 功的直流電壓源 U ic ; 2) 將硬開(kāi)關(guān) DC /DC 變換器分解為兩個(gè)正交的獨(dú)立電路, 其中一個(gè)是只含有電阻元件與電壓源

136

集美大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版 )

第 10卷

U ir的有功電力處理電路, 另一個(gè)是除前者之外的無(wú)功電力處理電路; 3) 直接從無(wú)功電力處理電路獲取暫態(tài)能量再生復(fù)位電路; 4) 獲取的能量再生復(fù)位電路只是構(gòu)成無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞囊粋�(gè)必要條件, 它表示輸入直流電 力有可能被無(wú)損轉(zhuǎn)移. 因此無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞某浞謼l件, 應(yīng)由電路定律導(dǎo)出該電路的電能再生表 達(dá)式及其元件參數(shù)的取值要求. 以典型的 Boost硬開(kāi) 關(guān)變換器 作為上 述類比分析法的示例圖, 如圖 1( 1) 所示. 電容器因關(guān)斷緩沖而吸收的暫態(tài)電能, 以 初始電勢(shì)為 UC ( 0) 來(lái)表示. 圖 1( 2) 為附 加在 Boost硬開(kāi) 關(guān)變換器上的暫 態(tài)能量再 生復(fù)位電路拓?fù)鋱D, 其中在 B 節(jié)點(diǎn)處必須 有一個(gè)與有源開(kāi)關(guān)同步工作的串聯(lián)升壓網(wǎng) 絡(luò), 該網(wǎng)絡(luò)可以使電容器的電能完全傳輸 給輸出負(fù)載而得到暫態(tài)電能再生復(fù)位 (即 UC s1 ( t ) = 0) . 容易證 明, 對(duì) Boost 變換 器, 該串聯(lián)升壓網(wǎng)絡(luò)只能接至變換器輸出 U o 端, 而不 允許 接至 變換 器輸 入 U i 端, 否則會(huì)因出現(xiàn)連續(xù)的電流環(huán)路而不滿足變 換器功能. 對(duì)圖 1( 2) , 若用一個(gè) 小容量 電感器 L r 取代該串聯(lián)升壓網(wǎng)絡(luò), 構(gòu)成暫態(tài) 電能再生與復(fù)位電路; 則電路拓?fù)湟箅?容器 C s1中的電勢(shì)能, 在有源開(kāi)關(guān) Vs1 導(dǎo)通時(shí), 通過(guò)電感器 L r 與隔離二極管的作用傳遞到輸出 Uo 端. 在理想電路條件下, 設(shè) t0 = 0 有 uC s1 ( t) , 電流 iCs1 ( t ) 與電壓 uCs1 ( t) , 分別為: [ UC ( 0) - Uo ] sin
t r1

uL r ( t ) + U o , 再由電路微分方程導(dǎo)出緩沖電容 C s1的放電 t / Z r1 iC s1 ( t)
r1

( 1) t ( 2)

uC s1 ( t ) = UC ( 0) 其中, 諧振頻率
r1

0

iC s1 ( t) dt /C s1

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

= 1/

L r* C s1 , 諧振阻抗 Z r1 = t =

設(shè)式 ( 1) 與式 ( 2) 都等于 0 聯(lián)立解這兩個(gè)方程. 式 ( 1) 的解確定了電容器的電能完全再生復(fù) , 位的時(shí)刻, 這個(gè)時(shí)刻就是
r1

時(shí); 由此得到諧振半周期 T r 1 /2 的表達(dá)式為: T r1 /2 =

/

r1

=

L r* C s1 , 電容器電能完全再生的充分條件是: iC s1 ( t) = 0與 uC s1 ( t) 完全再生的充分條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: UC ( 0) 2Uo ,

0, 最后得出電容器電能 ( 3)

式 ( 3) 指出緩沖電容器 C s1電壓要大于輸出電壓才能滿足放電條件. 因此, 如果不能滿足式 ( 3) 這個(gè) 電能再生條件, 那么此類再生電路就不能單獨(dú)作為無(wú)源軟開(kāi)關(guān)的緩沖能量再生與復(fù)位電路. 圖 1( 3) 為通過(guò)電路類比, 用一個(gè)與變換器電感 L 1 (N p ) 共用同一個(gè)磁芯的輔助耦合繞組 N a ( 見(jiàn) 虛線框 ) 取代上述串聯(lián)升壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成暫態(tài)電能再生與復(fù)位電路. 在有源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí), 利用與主電感 耦合的輔助繞組的感應(yīng)電勢(shì)與關(guān)斷緩沖電容器的電勢(shì)成疊加狀態(tài), 將電容器的電勢(shì)提高, 結(jié)合耦合電 感器 Lm 的漏電感 L k = L r 組成諧振電路, 就可以直接將電容器的電量對(duì)輸入電壓源或輸出電壓匯放 電; 其主要特點(diǎn)是所用再生元件數(shù)量少, 電路簡(jiǎn)單, 可以一次性地直接完成暫態(tài)能量的再生
[ 14]

. 這

第 2期

林周布: 高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 的研究

137

就是文獻(xiàn) [ 15 16] 提出的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路, 在該文獻(xiàn)中通過(guò)對(duì)無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路特性的分析, , 用網(wǎng)絡(luò)定理證明了這種電路具有最簡(jiǎn)電路拓?fù)? 但是該電路也必須滿足式 ( 3) 這個(gè)電容器電能完全 再生條件, 因而, 當(dāng)開(kāi)關(guān)占空比較大時(shí), 不能實(shí)現(xiàn)暫態(tài)能量的完全復(fù)位, 從而影響了緩沖效果. 因 此, 對(duì)于開(kāi)關(guān)占空比超過(guò) 0 5的變換器, 就要求輔助繞組對(duì)原邊主繞組的匝數(shù)比大于 1. 這樣做雖然 . 可以解決能量再生問(wèn)題, 但因漏感較大而產(chǎn)生的電壓尖峰較嚴(yán)重, 必須將二極管 D 1 的耐壓容量提高. 文獻(xiàn) [ 17] 選用匝數(shù)比為 1 21的折中方法來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題; 但不能解決因電壓尖峰大而伴隨的電磁 . 干擾大的問(wèn)題. 圖 1( 4) 為通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)類 比分析在圖 1( 3) 的基礎(chǔ) 上導(dǎo)出的 新型無(wú)源 軟開(kāi)關(guān) Boost電路. 圖 1 ( 4) 中有源開(kāi)關(guān) Vs1的關(guān)斷緩沖由電容器 C s1、二極管 D s1組成; 續(xù)流二極管 D 1 的關(guān)斷緩沖由電容器 C r1、二極管 D r2組成. 這兩個(gè)電容器與二極管的串聯(lián)緩沖支路中的兩個(gè)連接點(diǎn)分別接在與變換器電感 L 1 (N p ) 共用同一個(gè)磁芯的耦合繞組 N a 的同名端上以及二極管 D r 1的陽(yáng)極上, N a 的非同名端則與二極 管 D r1的陰極串接, 構(gòu)成暫態(tài)電能再生復(fù)位電路
[ 18 ]

. 可以發(fā)現(xiàn), 對(duì)于圖 1( 4) 電路, 若不用耦合繞組

N a, 而將這兩個(gè)串聯(lián)緩沖支路中的連接點(diǎn)直接用二極管 D r1串接在一起, 則其拓?fù)漕愃莆墨I(xiàn) [ 6] 提 出的 MVS軟開(kāi)關(guān)元胞. 在 MVS元胞中, 為了限制有源開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)二極管 D s1、D r1、D r2對(duì)續(xù)流二極管 D 1 的旁路導(dǎo)通作用, 就得要求將電容器 C r1的量值取比緩沖電容器至少高一個(gè)數(shù)量級(jí). 但這就要花較 長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)使能量復(fù)位, 造成高頻 PWM 軟開(kāi)關(guān)電路的控制參數(shù)占空度 ( 導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期之比 ) 受限制, 軟開(kāi)關(guān)的工作范圍要縮小. 在此電路拓?fù)浠A(chǔ)上, 若還在任一個(gè)二極管支路上附加另一個(gè)較 大量值的諧振電感器, 其拓?fù)漕愃莆墨I(xiàn) [ 7] 提出的 non MVS 軟開(kāi)關(guān)元胞; 此時(shí)電容器 C r1的量值要 求更大. 雖然 non MVS元胞依靠多了一個(gè)諧振電感器, 在有源開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)緩沖二極管支路的電流量 值能被限制, 使軟開(kāi)關(guān)工作范圍擴(kuò)大. 但諧振元件的增加使得電路階數(shù)很高, 更易于因發(fā)生寄生參數(shù) 振鈴而引起額外損耗, 而且由于用較大的 C r 1, 使得二極管電流較大, 附加諧振電感器在斷態(tài)也可能 會(huì)處于長(zhǎng)導(dǎo)電狀態(tài)而增加損耗, 故不適合小占空比的電路工作條件. 因此文獻(xiàn) [ 5] 認(rèn)為, 只有在一 些相對(duì)立的要求得到折中前提下, 軟開(kāi)關(guān)變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)才有可能. 圖 1( 4) 電路與其它電路具有 本質(zhì)上的不同. 在圖 1( 4) 電路中, 兩個(gè)電容器都是作為緩沖吸收元件, 它們的容量相同, 數(shù)值較 小; 當(dāng)有源開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)與續(xù)流二極管的工作狀態(tài)處于互補(bǔ)時(shí), 由于得到緩沖電感 L s1和緩沖電容 C s1的支持, 可以使暫態(tài)能量的再生復(fù)位過(guò)程也處于緩沖狀態(tài), 而且通過(guò)這兩個(gè)電容器在開(kāi)關(guān)不同階 段的吸收作用, 還使耦合電感器漏感產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)得到有力的抑制. 故可以把提出的新型無(wú)源軟開(kāi) 關(guān)網(wǎng)絡(luò)稱為開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)式無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù).

2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路的理論分析
對(duì)圖 1( 4) 電路, 建立其一個(gè)周期各工作階段的等效電路, 這里用電壓匯表示輸出大電容與負(fù)載 電阻的并聯(lián)電路, 如圖 2所示. 結(jié)合等效電路, 對(duì)該電路的緩沖能量再生與復(fù)位特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的理論 分析如下
[ 18]

: t < t1, 為有源開(kāi)關(guān) Vs1開(kāi)通換流階段. t < t2, 為 D 1 因關(guān)斷出現(xiàn)反向恢復(fù)電流 irr 階段. 在此階段, D 1 與 N p 的連接點(diǎn) A 的電勢(shì)

1) t0 2) t1

UA 隨著開(kāi)關(guān)管電壓 uV s1的變化而逐漸變低, 導(dǎo)致 N a 繞組感應(yīng)電勢(shì) UN a 的量值逐步升高, 緩沖電容電 壓 uC s1通過(guò)與 UN a 的疊加而逐步提高電勢(shì)對(duì)電容器 C r 1放電, C r1以緩沖方式被充電. 此時(shí),
t- t1

uC r1 ( t) = 由于二極管 D r2作用, C r1的電壓被嵌位.

0

iC s1 ( t) dt / C r1

UO .

( 4)

138 3) t2

集美大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版 )

第 10卷

t < t3, t3 時(shí)電容器 C s1的電能放電結(jié)束. 根據(jù)式 ( 4) , 當(dāng) C r1的充電電壓達(dá)到 UO 時(shí), iC s1

的電能將由 D r2傳遞給輸出負(fù)載. 此外, 電容器 C r1的量值不必太大, 所取量值根據(jù)庫(kù)侖定律及電容的 諧振倍壓特性可以表達(dá)為 C r1 = C s1* UCs1m /2UO. 4) t3 t < t4, 為漏感磁能再生階段. 當(dāng) t3 時(shí) UCs1為零, 二極管 D s1由于正向偏置而導(dǎo)通, 耦合 電感器的漏感 L k 的磁能以電流 ids1的形式通過(guò) D s1、D r1、D r2 流入輸出負(fù)載. 此時(shí), 由于諧振電感由 L k + L s1組成, 諧振電容由 C r1組成, 故 idr 1的諧振周期擴(kuò)大. 5) t4 6) t5 t < t5, 為 Vs1正常導(dǎo)通階段, 因二極管 D r2嵌位作用, uCr 1 ( t) 又回到等于 UO 的狀態(tài). t < t6, 為 Vs1關(guān)斷換流階段, 該階段的電容緩沖同通常的關(guān)斷緩沖電路一樣. 與后者不同

的是其能量復(fù)位電路. 隨著 C s1電勢(shì)的升高, uA + uCr 1的電勢(shì)將超過(guò) UO ; 此時(shí) D r 2導(dǎo)通, D 1 因反偏仍 關(guān)斷. C r1中的電能緩沖地轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)載上. 電路方程為:
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) 與式 ( 6) 集中體現(xiàn)了新電路特征. 從上述理論分析可知, 用互補(bǔ)再生方法的無(wú) 源軟開(kāi)關(guān)電路, 不必用高量值的電容器和電感器, 這樣暫態(tài)能量緩沖與再生復(fù)位過(guò)程都很短, 一般不 影響軟開(kāi)關(guān)的工作范圍, 而且隨著被緩沖的開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)變化, 連接點(diǎn) A 的電勢(shì)也同步緩沖變化, 經(jīng)耦合電感器的感應(yīng)電勢(shì)、電容器 C r1及二極管 D r2的作用, 使得緩沖電容器 C s1能夠完全放電而直接 復(fù)位; 而緩沖電容器的關(guān)斷緩沖作用, 又使電容器 C r1的電能通過(guò)二極管 D r2的饋能通道直接完成能量 再生而復(fù)位. 這種交替充電與放電的互補(bǔ)特性, 保證了在高占空比下暫態(tài)能量仍能以簡(jiǎn)單方式完成能 量再生而復(fù)位, 而且電能的傳遞都經(jīng)過(guò)緩沖或諧振過(guò)程, 顯著降低了耦合電感器的負(fù)面效應(yīng). 這是本 文提出的新電路與其它無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路的重要差異.

凡是變換器中存在與圖 1( 4) 相同的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)點(diǎn) A, 都可以應(yīng)用此互補(bǔ)再生技術(shù). 圖 3列出應(yīng)用

第 2期

林周布: 高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 的研究

139

所提出開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)式無(wú)源軟開(kāi)關(guān)新技術(shù)于基本的 4種非隔離型無(wú)源軟開(kāi)關(guān) DC /DC 變換器的示例圖. 它們都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算機(jī)仿真研究分析, 證明這種新技術(shù)的應(yīng)用完全可以成立.

3 新電路的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在高占空比下對(duì)圖 1( 4) 電路進(jìn)行了以計(jì) 算機(jī)電路仿真軟件 PSp ice 為工具的仿真分析 研究. 圖 4為該新 電路的仿 真結(jié)果波 形. 其 軟開(kāi)關(guān)效果、開(kāi) 關(guān)暫態(tài)能量吸收與 通過(guò)開(kāi)關(guān) 互補(bǔ)狀態(tài)而再生復(fù)位的效果與上述 理論分析 完全一致. 對(duì)新 電路的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)也 進(jìn)行了測(cè) 試. 在圖 1( 4) 電路的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中, 主要元件 的數(shù)據(jù)為: Boost開(kāi)關(guān)管 Vs1用功率 MOSFET 管 I FP460 Boost二 極管 D 1 用 MUR860 其余 R , , 二極管全部用 MUR460管; Boost電感器 N p 為 0 52mH; 附加耦合繞組 N a 由于有效值電流 . 很小, 故用較細(xì)漆包線繞在繞組 N p 之外, 附 加耦合繞組 N a 繞組占變壓器窗口體積不超過(guò) Boost電感器 N p 繞組占變壓器窗口體積的 1 / 10, 兩個(gè)繞組間匝數(shù)比為 1 在 N a 繞組端測(cè) , 得漏感 L k 為 21 H; 電容器 C s1與 C r1的量值 都為 2 2 nF; 電感器 L s1為 3 H; 電路工作頻 . 率為 147 k z 用閉環(huán)反饋方式保持輸出電壓 H. 穩(wěn)定在 350 V, 改變輸入直流電壓大小, 使開(kāi) 關(guān)占空比的變化范圍很寬. 圖 5是 在開(kāi)關(guān)管 Vs1的占空比為 0 66時(shí)有源開(kāi)關(guān)與續(xù)流二極管 . 的開(kāi)關(guān)過(guò)渡狀態(tài)測(cè)試 波形圖. 從其 中可以看 出兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷緩沖電容的 充放電狀 態(tài)同兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件處 于同步互補(bǔ)狀態(tài). 由于 這個(gè)特性, 有源 開(kāi)關(guān)的關(guān)斷電壓尖 峰受到抑 制, 能量再生回路的諧振半周期 T r / 2的時(shí)間 僅約為 0. 5 s 在上 述參數(shù)取值下, 還進(jìn)行 .

140

集美大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版 )
[ 11, 19]

第 10卷

效率測(cè)試比較. 當(dāng)占空比大于 0 5時(shí), 用感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)暫態(tài)能量再生的技術(shù) .

, 不能將緩沖電容

器 C s1內(nèi)的電能完全釋放掉因而關(guān)斷緩沖效果不良, 但本文提出的新方法可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題. 測(cè)試結(jié)果表明, 在測(cè)試功率低于 600 W, 占空比為 0 55 ~ 0 75的條件下, 圖 1( 4) 電路的效率能高 . . 于文獻(xiàn) [ 11] 電路圖 1( 3) 的效率, 達(dá) 0 5% ~ 2 0% . . .

4 結(jié)論
從上述理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出提出, 的新技術(shù)具有成本較低、暫態(tài)能量的再生方式較簡(jiǎn) 單、軟開(kāi)關(guān)的工作范圍很寬、能明顯減小有源開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力、無(wú)特殊的元件參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題等優(yōu)良 特性. 但該技術(shù)對(duì)續(xù)流二極管尖峰電壓的抑制作用還稍弱. 這種對(duì)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)所用類比分析研究方法, 顯然具有物理意義明確、方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn). 更重 要的是, 利用上述方法, 拓寬了研究眼界, 豐富了對(duì)電力電子電路拓?fù)涞难芯渴侄? 為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出 新型的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路提供了一條途徑.

[參考文獻(xiàn) ]
[ 1] M atsuura I Sm ith K M, , Jr , et a . A co pa rison o f active and passive soft sw itching m ethods fo r P l m WM converters [ A ]. PESC 98 [ C ]. IEEE P ower E lectronics So ciety P roceed ing s of the 29 th I . EEE Pow er E lectron ics Spec ia lists Con ference , P iscata ay w : IEEE Se rv ice Cen ter 1998. 94 100 , . de F re itas L C, et a. An evolution o f regenerativ e snubber circu its [ A ]. l IEEE P ower E lec P iscataway :

[ 2] Ba rbo sa L R, V ieira J B Jr , tronics Soc ie ty .

Proceed ing s o f the 31st I EEE Pow er E lectronics Spec ialists Conference ,

PESC 00 [ C ].

IEEE Serv ice Cen ter 2000. 620 627. , [ 3] N aka ura M, Sh i ada M, M youi T, m m et a. P erfor ance eva luations on so ft sw itch ing boo st power conve rter w ith a sing le l m IEEE P o er E lectron ics Soc iety P roceedings of the 32nd IEEE P o er E lectron w . w IEEE Serv ice Cen ter 2001. 1057 1062. , 1- 4. I EEE T rans

aux ilia ry passiv e resonant snubber [ A ].

ics Spec ialists Conference PESC 01 [ C ]. P iscata ay w :

[ 4] 郭瓊, 姚曉寧. 軟開(kāi)關(guān)變流技術(shù)的發(fā)展 [ J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 2003 25 ( 4): , [ 5] Sm ith K M, Jr ,

Sm ed ley K M. P roperties and synthesis o f lossless passive so ft sw itch ing conve rters [ J] . 1999, 14 890- 899. :

P o er E lectron, w

第 2期

林周布: 高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 的研究

141

[ 6] Sm ith K M, Jr Sm ed ley K M. Eng inee ring design o f lossless passive soft sw itching m ethods fo r P , WM converters I W ith . m in i um vo ltage stress c ircuit ce lls [ J]. m [ 7] Sm ith K M, [ 8] W u T, I EEE T rans P o er E lectron, w 2001 16: 336 344. , 17: 864 873 . IEEE T rans Jr Sm edley K M. Eng ineer ing design o f lossless passive soft sw itching me thods fo r P , WM converters part II . IEEE T rans Pow er E lectron, 2002,

w ith non m in i um vo ltage stress c ircu it cells [ J] . m

L iang L. A sy stem atic appro ach to deve loping s ing le - stage so ft sw itch ing P WM converters [ J].

Power E lectron 2001, 17 581 593. , : [ 9] W u T, L iang S. A structu ra l approach to synthesizing soft sw itching P WM converte rs [ J]. 2003 18: , lectron, 38 43 . I EEE T rans Ind E 1998, 45: 593 601 . e t a.l N onlinear m ode ling o f the PWM sw itch [ J]. IEEE T rans Pow er E lectron 1997, 17 225 233 . I EEE T rans Pow er E lectron,

[ 10] T seng C J Chen C L. A passive lossless snubber cell for non iso lated P , WM DC /DC converters [ J]. [ 11] T yme rsk iR, V o rperian V, L ee F C, ics 1989 4 ( 2): , ,

[ 12] 何湘寧, W illia s B W, 錢照明. 高功率逆變橋開(kāi)通緩沖電路能量回饋研究 [ J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), m ( 3): 157 161 . 2001, [ 13] 趙劍峰, 蔣平, 唐國(guó)慶. 科學(xué)的思維方法在電力電子拓?fù)溲?究中的應(yīng)用 [ J]. 電工技術(shù)雜志, [ 14] 林周布. 無(wú)源無(wú)損緩沖型軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研 究 [ J]. 電工電能新技術(shù), 2002, 21 ( 1): 33 37. 65 70. [ 15] 林周布. 一種具有最簡(jiǎn)拓?fù)涞臒o(wú)源軟開(kāi)關(guān) 新技術(shù) [ J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2002, 17 ( 2):

( 2): 1 4 .

[ 16] L in Zhoubu A passiv e regenerative so ft sw itching converter w ith the si p lest topology [ A ]. . m c iety P ro ceedings of the 33rd I . EEE Power E lectronics Specia lists Conference PESC 02 [ C]. Cente r 2002. 949 955. ,

IEEE Pow er E lectronics So P iscataway : I EEE Serv ice

[ 17] M enegaz P JM, V ie ira J L F, Si one ttiD S L. A m agne tica lly coup led regenerative turn on and turn o ff snubber config m uration [ J]. IEEE T rans Ind E lectron, 2000, 47 722 728 : . P roceedings of the 4th 121 125 .

[ 18] L in Zhoubu A novel o f passive soft sw itching w ith cha rge pum p snubber [ A ]. W ang Zhaoan. . [ 19] 林周布. 暫態(tài)能量再生技術(shù)的研究 [ J]. 電工電能新技術(shù), 2004, 24 ( 4): 43 46.

Interna tiona l Pow er E lectron ics and M o tion Contro , IPEM C 04 [ C] . 西安 : 西安交通大學(xué)出版社, 2004. l

R esearch on the Technology of Passive Soft Sw itching for H igh Frequency Pow er E lectronic C ircuits
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 (責(zé)任編輯 朱雪蓮 )



  本文關(guān)鍵詞：高頻電力電子電路之無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。