零电压_零电流PWM软开关技术研究
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图 5 零电流2零电压全桥 PWM 变换器
图 6 图 5 电路的改进 (a) 上臂的简化; (b) 下臂的简化
图 7 优化的零电流2零电压全桥 PWM 变换器
3 状态与能量分析
在简化后的电路图 7 中, 谐振电感L r 为 S1～ S4 提供零电流开启的条件, C r1、C r2 分别为 S1、S2 和 S3、 S4 提供零电压关断的条件。C E 储存每个工作周期内 L r、C r 中的能量, 并通过 L E1或 L E2, D x 将这部分能量 无损地回授到 V in。
(U n iv ersity of E lectron ic S cience and T echnology of C h ina, C heng d u 610054 P. R. C h ina)
Abstract: A novel fu ll b ridge PWM converter is p ropo sed in th is paper. By u sing a lo ssless snubber structu re, the m ain sw itches are all w o rk ing in ZCS (Zero2Cu rren t 2Sw itch) and ZV S (Zero2V o ltage2Sw itch) state. T he op 2 erating theo ry and energy tran sfer relation sh ip are studied, som e key design param eters are also m en tioned. T h is structu re can enhance the efficiency and still keep low vo ltage and cu rren t stresses of the m ain sw itch. Key words: ZCS, ZV S; lo ssless; fu ll b ridge PWM ; pow er EEACC: 1130 6120
本文提出一种新的无源无损耗的软开关结构, 可在 PWM 模式下, 使主开关管工作于零电流开启、 零电压关断, 有效地降低高频下的开关损耗。特别在 全桥结构中, 通过对原有损吸收回路的合理重构, 在
来稿日期: 2002204229 ① 基金项目: 本文受“十五”国防科工委预研项目经费资助
第 4 期 王京梅, 兰中文等: 零电压2零电流 PWM 软开关技术研究 34 1
iL E1 ( t)
=
V CE (t L E1
t0)
(1)
注意到此时 C r1 上电压为- V CE, C r2 上电压为 V in, L r 中电流为 I 0。
假设 t1 时 T ON 时间结束, S1、S4 断开, 此时的电
流回路为 L E1→D 5 →D 2 →C r1 →L E1, 维持 iL E1 并对 C r1 充电; C r2→D 3→L r→C E →D 2→C r1→I 0→C r2, L r 中能 量向 C E 转移, 使 L r 中电流减小, 同时 C r2 放电, 其电 压转移到 C E 和 C r1上。又由于 C E µ C r1, 因此使 C r1电 压上升。 此时 S1 和 S4 上电压变化为
图 3 具有能量回授功能的零电流开关
类似地, 谐振电容 C r 的目的在于降低开关关断 时的 dv d t, 即在开关管 S 断开的瞬间保持其两端的 电压 为 0, 而 在 S 断 开 期 间 (T OFF ) , C r 并 不 影 响 PWM 工作状态。 在文献[ 2 ]中已证明, 以‘树’形接 入 C r 可等效为对 S 并联, 因此可满足零电压关断要 求。为使在 S 断开期间 C r 上存储的能量能无损地回 授到入线或出端, 如何构成L 2C 谐振回路是关键。由 于该 L C 回路的作用时间很短, 因此 C r 的值将远小 于 C E, 可考虑到零电流回路结合, 从而有图 4。C r、L r 构成零电压谐振回路, C E 储存每个周期的谐振能 量, L E、C E、D 3、S 构成另一个能量转移回路, 以维持 C E 端电压的稳定, 并最终通过 L E、D S1、D S2、D S3 将能
图 2 具有储能电容的零电流开关结构
但此时 CE 两端电压在 L r 的充电下将不断升 高, 必须通过某一放电回路使其维持某一稳定值, 才 可正常工作并不对 S 带来额外的耐压要求。 利用图 3 的电路, 当开关 S 导通时, C E 将储存的、来自 L r 的 能量转移到 L E 中, 而当开关 S 关闭时, L E 再将能量 通过二极管 D 1、D 2 回授到入线或输出端 (由拓扑结 构决定, 本文中为回授到入线)。注意到L E 等回路将 加大 S 的通过电流, 即 L E 从 C E 中抽取能量的过程 将引起 S 导通损耗的上升, 而每个周期转移能量的 多少也将影响 C E 端电压的大小, 从而影响到 S 的耐 压参数。 详细讨论见下文。
1 前 言
开关电源高频化的发展趋势, 可带来电源功率 密度提高, 、对出 入线变化响应速度加快等一系列 优点, 但同时也存在开关损耗加剧、电磁干扰 (EM I) 影响加大等问题。为解决这些缺点, 提出了大量诸如 零电压、零电流、多谐振等软开关技术方案。 虽然这 些软开关技术可有效降低开关损耗, 提高高频下电 源变换效率, 但其复杂性、稳定性等仍不令人满意, 特 别是大量采用变频调制 (FM ) 方式, 不利于 EM I 控制和磁性器件体积的减小。为此, 近年来国内外的 研究, 特别是在中、大功率开关变换领域, 更倾向于 如何构建基于传统脉宽调制 (PWM ) 的软开关技术。
以下对软开关的工作过程和能量转换情况进行
分析。
假设 t0 时开关 S1、S4 导通, 则如前文所述, 在 S1 中不仅有工作电流 I 0, 还有部分 C E 能量将通过它进 入L E1。此时的两个电流回路为V in→L r→S1→I 0→S4 →V in, 提供输出电流 I 0: C E →S 1 →L E1 →D 5 →C E , 为 C E 能量转移回路, 电流大小为
图 1 基本全桥 PWM 变换器
考虑开关管工作于软开关状态的条件, 即零电 流开启、零电压关断, 则在开关回路中串接谐振电感 L r 和并接谐振电容 C r 是很自然的选择[2～ 5 ]。但该结 构中谐振元件中的能量无法复位, 因此必须辅以有 源开关或耦合变压器将该能量回授到入线或输出 端, 以维持谐振条件, 从而导致器件数量、控制方式 等过于复杂。 若再考虑引入谐振回路对原开关管的 最大反向电压的影响、辅助回路引入的其它损耗等, 情况将更复杂, 因此导致该结构的实际应用非常有 限。
不引入能量回授耦合变压器的情况下实现了软开 关, 并保持主开关管的耐压要求没有大的提高。以下 第二部分给出该结构的设计思想及具体实现; 第三 部分为工作原理的理论分析, 并对各状态下时间和 能量关系进行研究; 第四部分给出若干关键参数; 最 后在第六部分是全文总结。
2 吸收回路与软开关结构
一般的 PWM 全桥结构如图 1 所示, 其中变压 器和输出回路等效为恒流源 Io, 每个开关管 S 加有 吸收回路。注意到传统的吸收回路中, 反向能量被吸 收回路中的电阻等所消耗, 以降低开关管的开关损 耗并抑制其尖峰电压, 因此 PWM 方 式 下 是 有 损 的[1 ]。
分别研究L r 与 C r。对于与开关管 S 串连的谐振 电感, 其作用在于开关管 S 导通的瞬间维持原电流 (零电流) , 以降低开关管的开通损耗; 而在导通期间 (T ON ) , 并不影响 PWM 工作状态, 此时 L r 中电流为 PWM 工作电流 Io。L r 中电流在 S 关断时有时还要 考虑二极管的反向恢复电流 I rr。 在 S 关断后, L r 中 电流必须尽快下降到 0, 以满足 S 下次开启时零电 流条件, 否则将在开关管两端引起很高的尖峰电压
在图 1, 以图 4 所示电路代替吸收回路, 可构成 零电压2零电流全桥 PWM 结构, 如图 5。其中由于 S1 ( S4)、S3 (S2) 为交替工作的, 因此其 L r 可公用, 在图 6 (a) 中给出了公用 L r 后的上臂电路。 同样的考虑, 下臂部分可简化为图 6 (b) , 注意到 V in 内阻趋于 0, 且 S1、S4 与 S3、S2 工作状态相同, 最终电路可简化为 图 7。在引入少量无源器件的前提下, 该结构不仅保 持了各功率开关的软工作状态, 而且引入的谐振回 路亦工作于无损耗状态, 以下的分析还证明该结构 下开关管的反向耐压没有大的提高。
零电压2零电流 PWM 软开关技术研究①
王京梅1, 兰中文, 余 忠, 王豪才
(电子科技大学微电子与固体电子学院, 成都 610054)
摘要: 本文提出一种新的全桥 PWM 电路结构, 使用少量的无源器件可使开关管工作于零电流2零电压的软开关状 态, 同时所引入的吸收回路是无损耗的。 详细分析了电路工作原理和能量转移关系, 并给出了关键参数的选取原 则。 在保持开关元件的电压 电流应力没有很大提高的前提下, 可提高电源的转换效率。 关键词: 零电流; 零电压; 无损耗; 全桥 PWM , 电源 中图分类号: TN 710 文献标识码: A 文章编号: 1005- 9490 (2002) 04- 0340- 05
dV s4 dt
=
IO C r2
(2)
dV s1 dt
=
IO +
iL E1 ( t1 C r1
t0)
(3)
到 t2 时由于 D 1、D 4 的箝位, 使得 V = cr1 V in, V cr2 = - V CE, 并使 S1、S4 的反向电压保持在V in+ V CE。此
第 25 2002
卷年第124月期 C
h
ine
se
电 子 器 件 Jou rna l of E lect ro
n
D
evLeabharlann Baidu
ice
V o
s
D
l. 25, N o. ec. , 2002
4
Research of ZVS-ZCS PWM Sof t Sw itch
W A N G J ingm ei, L A N Z hongw en , YU Z hong ,W A N G H aoca i
为降低 PWM 结构中的功率开关 (包括整流器)
高频工作下的开关损耗, 亦即开关状态变化瞬间的 电压2电流乘积量、二极管的反向恢复能量、开关管 寄生电容的放电能量等, 可采用有源和无源两种有 效的方法。 其中有源方式利用额外的开关管使主开 关管工作于软开关状态, 无源方式则利用无源器件 通过参数匹配达到同样的效果。 从实现的复杂性及 性价比来看, 无源软开关技术有一定优势, 当然它无 法消除开关管寄生电容的影响; 但考虑到有源方式 中辅助开关管引入的损耗及功率半导体技术的发 展, 无源软开关技术是很有发展前景的。
3 4 2 电 子 器 件 第 25 卷
量回授到入线。由文献[ 2 ]可知, C r 的一端A 接入开 关回路中与 B 等效的任一点将不会破坏吸收回路的 工作状态, 因此为电路简化带来很大方便。
图 4 具有能量回授功能的零电流2零电压开关
(v ( t) = d i ( t) d t, i (0) = Io + I rr)。 采用有源开关 S aux 可将 L r 中电流复位, 但由于 L r 中电流较大, S 的 aux 导通损耗难以控制; 采用变压器耦合也是常用的方 法[1], 但变压器漏感将在开关关断时引起很高的尖 峰电压, 必须再采取抑制、吸收措施。 较理想的方法 是将能量通过电压性储能元件 (电压源、电容等) 来 复位, 形成如图 2 所示的零电流开关[4]。 其中 C E 为 用于谐振电感能量复位的储能电容。
图 6 图 5 电路的改进 (a) 上臂的简化; (b) 下臂的简化
图 7 优化的零电流2零电压全桥 PWM 变换器
3 状态与能量分析
在简化后的电路图 7 中, 谐振电感L r 为 S1～ S4 提供零电流开启的条件, C r1、C r2 分别为 S1、S2 和 S3、 S4 提供零电压关断的条件。C E 储存每个工作周期内 L r、C r 中的能量, 并通过 L E1或 L E2, D x 将这部分能量 无损地回授到 V in。
(U n iv ersity of E lectron ic S cience and T echnology of C h ina, C heng d u 610054 P. R. C h ina)
Abstract: A novel fu ll b ridge PWM converter is p ropo sed in th is paper. By u sing a lo ssless snubber structu re, the m ain sw itches are all w o rk ing in ZCS (Zero2Cu rren t 2Sw itch) and ZV S (Zero2V o ltage2Sw itch) state. T he op 2 erating theo ry and energy tran sfer relation sh ip are studied, som e key design param eters are also m en tioned. T h is structu re can enhance the efficiency and still keep low vo ltage and cu rren t stresses of the m ain sw itch. Key words: ZCS, ZV S; lo ssless; fu ll b ridge PWM ; pow er EEACC: 1130 6120
本文提出一种新的无源无损耗的软开关结构, 可在 PWM 模式下, 使主开关管工作于零电流开启、 零电压关断, 有效地降低高频下的开关损耗。特别在 全桥结构中, 通过对原有损吸收回路的合理重构, 在
来稿日期: 2002204229 ① 基金项目: 本文受“十五”国防科工委预研项目经费资助
第 4 期 王京梅, 兰中文等: 零电压2零电流 PWM 软开关技术研究 34 1
iL E1 ( t)
=
V CE (t L E1
t0)
(1)
注意到此时 C r1 上电压为- V CE, C r2 上电压为 V in, L r 中电流为 I 0。
假设 t1 时 T ON 时间结束, S1、S4 断开, 此时的电
流回路为 L E1→D 5 →D 2 →C r1 →L E1, 维持 iL E1 并对 C r1 充电; C r2→D 3→L r→C E →D 2→C r1→I 0→C r2, L r 中能 量向 C E 转移, 使 L r 中电流减小, 同时 C r2 放电, 其电 压转移到 C E 和 C r1上。又由于 C E µ C r1, 因此使 C r1电 压上升。 此时 S1 和 S4 上电压变化为
图 3 具有能量回授功能的零电流开关
类似地, 谐振电容 C r 的目的在于降低开关关断 时的 dv d t, 即在开关管 S 断开的瞬间保持其两端的 电压 为 0, 而 在 S 断 开 期 间 (T OFF ) , C r 并 不 影 响 PWM 工作状态。 在文献[ 2 ]中已证明, 以‘树’形接 入 C r 可等效为对 S 并联, 因此可满足零电压关断要 求。为使在 S 断开期间 C r 上存储的能量能无损地回 授到入线或出端, 如何构成L 2C 谐振回路是关键。由 于该 L C 回路的作用时间很短, 因此 C r 的值将远小 于 C E, 可考虑到零电流回路结合, 从而有图 4。C r、L r 构成零电压谐振回路, C E 储存每个周期的谐振能 量, L E、C E、D 3、S 构成另一个能量转移回路, 以维持 C E 端电压的稳定, 并最终通过 L E、D S1、D S2、D S3 将能
图 2 具有储能电容的零电流开关结构
但此时 CE 两端电压在 L r 的充电下将不断升 高, 必须通过某一放电回路使其维持某一稳定值, 才 可正常工作并不对 S 带来额外的耐压要求。 利用图 3 的电路, 当开关 S 导通时, C E 将储存的、来自 L r 的 能量转移到 L E 中, 而当开关 S 关闭时, L E 再将能量 通过二极管 D 1、D 2 回授到入线或输出端 (由拓扑结 构决定, 本文中为回授到入线)。注意到L E 等回路将 加大 S 的通过电流, 即 L E 从 C E 中抽取能量的过程 将引起 S 导通损耗的上升, 而每个周期转移能量的 多少也将影响 C E 端电压的大小, 从而影响到 S 的耐 压参数。 详细讨论见下文。
1 前 言
开关电源高频化的发展趋势, 可带来电源功率 密度提高, 、对出 入线变化响应速度加快等一系列 优点, 但同时也存在开关损耗加剧、电磁干扰 (EM I) 影响加大等问题。为解决这些缺点, 提出了大量诸如 零电压、零电流、多谐振等软开关技术方案。 虽然这 些软开关技术可有效降低开关损耗, 提高高频下电 源变换效率, 但其复杂性、稳定性等仍不令人满意, 特 别是大量采用变频调制 (FM ) 方式, 不利于 EM I 控制和磁性器件体积的减小。为此, 近年来国内外的 研究, 特别是在中、大功率开关变换领域, 更倾向于 如何构建基于传统脉宽调制 (PWM ) 的软开关技术。
以下对软开关的工作过程和能量转换情况进行
分析。
假设 t0 时开关 S1、S4 导通, 则如前文所述, 在 S1 中不仅有工作电流 I 0, 还有部分 C E 能量将通过它进 入L E1。此时的两个电流回路为V in→L r→S1→I 0→S4 →V in, 提供输出电流 I 0: C E →S 1 →L E1 →D 5 →C E , 为 C E 能量转移回路, 电流大小为
图 1 基本全桥 PWM 变换器
考虑开关管工作于软开关状态的条件, 即零电 流开启、零电压关断, 则在开关回路中串接谐振电感 L r 和并接谐振电容 C r 是很自然的选择[2～ 5 ]。但该结 构中谐振元件中的能量无法复位, 因此必须辅以有 源开关或耦合变压器将该能量回授到入线或输出 端, 以维持谐振条件, 从而导致器件数量、控制方式 等过于复杂。 若再考虑引入谐振回路对原开关管的 最大反向电压的影响、辅助回路引入的其它损耗等, 情况将更复杂, 因此导致该结构的实际应用非常有 限。
不引入能量回授耦合变压器的情况下实现了软开 关, 并保持主开关管的耐压要求没有大的提高。以下 第二部分给出该结构的设计思想及具体实现; 第三 部分为工作原理的理论分析, 并对各状态下时间和 能量关系进行研究; 第四部分给出若干关键参数; 最 后在第六部分是全文总结。
2 吸收回路与软开关结构
一般的 PWM 全桥结构如图 1 所示, 其中变压 器和输出回路等效为恒流源 Io, 每个开关管 S 加有 吸收回路。注意到传统的吸收回路中, 反向能量被吸 收回路中的电阻等所消耗, 以降低开关管的开关损 耗并抑制其尖峰电压, 因此 PWM 方 式 下 是 有 损 的[1 ]。
分别研究L r 与 C r。对于与开关管 S 串连的谐振 电感, 其作用在于开关管 S 导通的瞬间维持原电流 (零电流) , 以降低开关管的开通损耗; 而在导通期间 (T ON ) , 并不影响 PWM 工作状态, 此时 L r 中电流为 PWM 工作电流 Io。L r 中电流在 S 关断时有时还要 考虑二极管的反向恢复电流 I rr。 在 S 关断后, L r 中 电流必须尽快下降到 0, 以满足 S 下次开启时零电 流条件, 否则将在开关管两端引起很高的尖峰电压
在图 1, 以图 4 所示电路代替吸收回路, 可构成 零电压2零电流全桥 PWM 结构, 如图 5。其中由于 S1 ( S4)、S3 (S2) 为交替工作的, 因此其 L r 可公用, 在图 6 (a) 中给出了公用 L r 后的上臂电路。 同样的考虑, 下臂部分可简化为图 6 (b) , 注意到 V in 内阻趋于 0, 且 S1、S4 与 S3、S2 工作状态相同, 最终电路可简化为 图 7。在引入少量无源器件的前提下, 该结构不仅保 持了各功率开关的软工作状态, 而且引入的谐振回 路亦工作于无损耗状态, 以下的分析还证明该结构 下开关管的反向耐压没有大的提高。
零电压2零电流 PWM 软开关技术研究①
王京梅1, 兰中文, 余 忠, 王豪才
(电子科技大学微电子与固体电子学院, 成都 610054)
摘要: 本文提出一种新的全桥 PWM 电路结构, 使用少量的无源器件可使开关管工作于零电流2零电压的软开关状 态, 同时所引入的吸收回路是无损耗的。 详细分析了电路工作原理和能量转移关系, 并给出了关键参数的选取原 则。 在保持开关元件的电压 电流应力没有很大提高的前提下, 可提高电源的转换效率。 关键词: 零电流; 零电压; 无损耗; 全桥 PWM , 电源 中图分类号: TN 710 文献标识码: A 文章编号: 1005- 9490 (2002) 04- 0340- 05
dV s4 dt
=
IO C r2
(2)
dV s1 dt
=
IO +
iL E1 ( t1 C r1
t0)
(3)
到 t2 时由于 D 1、D 4 的箝位, 使得 V = cr1 V in, V cr2 = - V CE, 并使 S1、S4 的反向电压保持在V in+ V CE。此
第 25 2002
卷年第124月期 C
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电 子 器 件 Jou rna l of E lect ro
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evLeabharlann Baidu
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l. 25, N o. ec. , 2002
4
Research of ZVS-ZCS PWM Sof t Sw itch
W A N G J ingm ei, L A N Z hongw en , YU Z hong ,W A N G H aoca i
为降低 PWM 结构中的功率开关 (包括整流器)
高频工作下的开关损耗, 亦即开关状态变化瞬间的 电压2电流乘积量、二极管的反向恢复能量、开关管 寄生电容的放电能量等, 可采用有源和无源两种有 效的方法。 其中有源方式利用额外的开关管使主开 关管工作于软开关状态, 无源方式则利用无源器件 通过参数匹配达到同样的效果。 从实现的复杂性及 性价比来看, 无源软开关技术有一定优势, 当然它无 法消除开关管寄生电容的影响; 但考虑到有源方式 中辅助开关管引入的损耗及功率半导体技术的发 展, 无源软开关技术是很有发展前景的。
3 4 2 电 子 器 件 第 25 卷
量回授到入线。由文献[ 2 ]可知, C r 的一端A 接入开 关回路中与 B 等效的任一点将不会破坏吸收回路的 工作状态, 因此为电路简化带来很大方便。
图 4 具有能量回授功能的零电流2零电压开关
(v ( t) = d i ( t) d t, i (0) = Io + I rr)。 采用有源开关 S aux 可将 L r 中电流复位, 但由于 L r 中电流较大, S 的 aux 导通损耗难以控制; 采用变压器耦合也是常用的方 法[1], 但变压器漏感将在开关关断时引起很高的尖 峰电压, 必须再采取抑制、吸收措施。 较理想的方法 是将能量通过电压性储能元件 (电压源、电容等) 来 复位, 形成如图 2 所示的零电流开关[4]。 其中 C E 为 用于谐振电感能量复位的储能电容。