新型改进谐振型软开关技术研究

2
2.1
拓扑模型和工作原理
软开关拓扑模型 新型软开关电路拓扑模型如图 1。在该电路中 T 为功
图1 软开关电路模型图
率开关管，L 为谐振电感，R1 为等效电阻，D1 为负载续流二级管， Cr 为缓冲电容， Cs 为吸收电容， Lr 为缓冲电感， C 为输出端滤波电容， R 为输出端电阻，模型图中的 D3~D6 二极管都是快恢复二极管。
Lr 和 Cr 的谐振频率要小于开关管周期 T 的 k 倍 [10] (0 k 1) ，即：
（ 10）
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电路与系统学报
第 17 卷
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r
kT
（ 11）
3
仿真实验设计和结果
仿真实验图如图 1 ，在开关管 T 的栅极通过光电隔离器后加入
40kHz， 幅值为 15V 的 PWM 脉冲， 电路中各参数： T 为场效应管 RF460， 负载电感 L 为 150mH，负载等效电阻为 1Ω ，缓冲电感 Lr 为 15 μH ， 缓冲电容 Cr 为 10nF，吸收电容 Cs 为 100nF，滤波电容 C 为 250μF，R 为 50， E 为 400V。 采用 Pspice 软件对软开关电路进行仿真，测试开关管两端的电压 uds ，电流 id ，以及开关管栅极的 控制脉冲 uon 。仿真结果如图 4 所示。当 PWM 控制脉冲信号高电平时，此时开关管断开，由于通过一 个反相的光电隔离器，开关管两端高电压信号与外加的电源电压一致。当控制脉冲是低电平时，在开 关管两端测得接近零电平信号。在开关管两端是高电平时， 流过开关管的电流基本为零，当开关管是零电平时，流过的 电流最大。分析仿真结果图可以得到，电流脉冲波形的上升 沿基本和电压信号的下降沿在时间上是一致的。并且缓冲电 容瞬间反向充电引起了电流在上升前出现一个下跳变，使电 压和电流脉冲没有出现重叠， 对于尖峰电流脉冲也基本消除， 达到新型软开关的设计要求。
图6 实验电路图
200V/ 格 u ds
装置模型主要由筒体和振打锤二部分组成。筒体主要由定子线圈括内筒、 外筒、底座等组成。其中底座用来模拟电场中的阳极板或阳极线。顶部振 打控制技术采用的是数字式电流闭环控制方式 [11]，如图 5 所示。 在驱动电路上，对开关管 MOSFET 的控制具体电路如图 6。该控制电 电压为 400V，TLP250 为场效应管 RF640 专用驱动隔离芯片，RF460 为场 效应功率开关管，最大工作电流 15A，最大工作电压 500V， rds 导通电阻 为 0.2Ω ，软开关电路参数如图 6 所示。 实验测得开关管两端的电压波形 uds 和流过开关管的电流波形 id 如图 7 所示。 路由微处理器产生频率为 40kHz 的 PWM 脉冲信号。 负载定子线圈 L 外加
到 t1 时刻，缓冲电感 Lr 上的电流降为零，电流从开关管 T 流过。 二极管 D3、D5、D6 关断，二极管 D4 导通，输出端电源 E 通过回路 E- Cr -D4- Cs - Lr -T 向缓冲电容 Cr 、缓冲电感 Lr 、储能
ilr
0
t
uds
0
t
电容 Cs 充电，充电的电流 i 满足电压关系： 1 di E idt Lr （ 3） dt C CC 其中 C r s 在电源 E 的作用下，能量再次转移到 Lr ，为下 Cr C s 一阶段做准备。到 t 2 时刻， Lr 储存的能量为：
摘要： 设计改进的无源无损软开关拓扑结构，通过电容和电感谐振满足 ZVS 和 ZCS 的条件，使开关管的电压和 电流在开通和关断时时间错位，功率损耗基本为零，取得了有源软开关技术同样的效果。利用电磁场能量转移定理， 理论分析了拓扑电路完整开关周期各个阶段的工作原理和工作条件，并采用 Pspice 软件对开关管两端的电压和流过的 电流进行了仿真和比较。 最后将该技术应用在了一台 2KW 的电除尘顶部电磁振打清灰控制系统中， 在 N 沟道 MOSFET 开关管的软开关技术中得到了较好的应用和验证。 关键词： 软开关；仿真；谐振 中图分类号： TN453 文献标识码： A
第 17 卷 第 3 期 2012 年 6 月
文章编号： 1007-0249 (2012) 03-0055-05
电路与系统学报 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS
Vol.17 No.3 June，2012
新型改进谐振型软开关技术研究*
王涌， 王威， 郑博闻
（浙江工业大学 信息工程学院电子科学与技术研究所，浙江 杭州 310023 ）
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t 2 时刻，由于 Cr 容量较小，因此比 Cs 先充电到电源电压值 E，此时二极管 D3、D4 导通， Lr 、 Cs 、
D3、D4 构成回路，缓冲电感 Lr 中的电流开始向储能电容 Cs 谐振充电，充电回路为 Lr -D3-D4 - Cs ， Lr 中 的能量转移到 Cs ，此时 Cs 两端的电压有效值为：
E Lr I Cs 1 2 1 Lr I 2 ，即： 2
（ 6）
（ 7）
（ 8）
该阶段 Lr 的电流不断上升直至 t 6 时刻。 （ 7）阶段 7 (t6 t7 ) ： Cs 能量反馈阶段
t 6 时刻， Lr 中的电流上升到 I， D5 导通， D3、 D4 关断， Cs 中的能量以电流 ic 通过 D5 向输出端放
Uc I Lr Cs
（ 5）
到 t3 时刻，缓冲电感 Lr 上的电流为零， D3、 D4 关断。 （ 4）阶段 4 (t3 t 4 ) ：开关管 T 进入正常导通阶段。 经过前面几个阶段的能量转移后，开关管在零电流的情况下进入正常的导通阶段，此时的电流正 常的流过开关管 T，该状态一直延续至开关管 T 在触发脉冲的作用下进入关断状态。 （ 5）阶段 5 (t 4 t5 ) ：开关管 T 进入零电压关断阶段。 在 t 4 时刻开关管 T 关断， Lr 中储存的电流通过 D3 和 Cr 进行放电，由于此时 Cr 已经存储一定的电 能，在 Lr 的放电过程中也就是对 Cr 反向充电的过程。开始充电前，并联在开关管 T 两端的 C 使得开关 管关断时电压为零，满足了 ZVS 条件，实现了开关管 T 零电压的关断。关断后 Cr 在反向的充电过程 中不断放电直至零，然后反向电压随着充电的过程继续增大，开关管两端的电压开始上升，一直延续 到 t 5 时刻。在这一过程中需要满足 Lr 中的能量大于 Cr 中可以存储的最大能量，即： 1 1 Lr I 2 Cr E 2 2 2 此时开关管 T 两端电压的上升率为： t t dVds E sin 5 4 LC dt Lr C r r r （ 6）阶段 6 (t 5 t 6 ) ： Lr 和 Cs 谐振阶段 在 t5 时刻，由于二极管 D3、 D4、 D5 导通， Cr 将放电到零，此时 Cs 向输出端放电，恒流源不断的 对 Lr 进行充电， Lr 的电流不断上升，一般来说，在一个周期内 T 中， Cs 多余的储能应该完全释放， 而且 Cs 放电到零之前， Lr 中的电流将上升到 I，否则由于谐振的存在，开关管 T 不能工作在软开关状 态，因此 C s 中储存的能量至少大于 Lr 中储存的能量，满足： Cs E 2
电，将能量回馈到电路中。此时 Cs 的放电电流大小为：
ic C s duc dt
（ 9）
（ 8）阶段 8 (t7 t0 ) ：开关管正常关断阶段
t 7 时刻， Cs 放电到零， D5 关断， D6 导通， Cs 中的所有能量反馈到输出端后，软开关电路的工作
结束，开关管进入正常的工作模式，同时开关管的一个完整周期结束。 需要指出的是缓冲电容 Cr 和缓冲电感 Lr 的值越大，开关管损耗越小，但是由于谐振频率的影响， 在软开关条件下，谐振频率 r 不能超过开关管的周期 T。故 Lr 和 Cr 谐振时，有： 1 r Lr Cr
1
引言
在 DC-DC变换器中，提高开关频率是减小电源体积降低系统成本的主要途径，但是开关频率的增
加也带来严重的开关损耗和电磁干扰。在高压直流变换器中，要求提高后级直流变换器开关管的电压 定额，但选用高耐压值的开关管的导通电阻 Rds往往较大，导致通态损耗增大，不利于变换器效率的提 高。 因此基于零电压导通的（ ZVS ）和零电流关断的（ ZCS ）的技术得到应用。国内对全桥变换器技 术有较深入的研究 [1,2]。该技术利用变压器漏感和开关管结电容来实现 ZVS，但是由于漏感较小，滞后 桥臂在轻载时会失去 ZVS的实现条件，同时由于输出整流管存在反向恢复而引起了电压尖峰和电压振 荡 [3~5]。 在实际的工程应用中，有多种缓冲电路来保护开关器件，其中包括传统的耗能式的 RCD 缓冲电 路， 如钳位式缓冲电路 ,也有低损耗的△型吸收电路， 如 Ma Murry 缓冲电路、 Undeland 缓冲电路等 [6~8]。 有源缓冲电路通过增添辅助开关减少Байду номын сангаас关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂度，降低了系 统可靠性。 本文提出了一种改进的无源无损软开关电路的拓扑结构，利用增加的电容和电感使开关管的电压 和电流在开通和关断时得以错位，实现了 ZVS 和 ZCS 的条件，取得了有源软开关技术的效果。在满 足假设条件下，理论分析了一个完整开关周期的工作原理和各阶段的工作条件，并采用 Pspice 软件进 行了仿真和比较。 最后将该技术应用在了一台 4KW 的电除 尘顶部电磁振打清灰控制系统中， 在 N 沟道 MOSFET 开关 管的软开关技术中得到了很好的应用和验证。
Lr E dit / dt
t1
0
（ 1）阶段 1 t0 t1 ：开关管 T 进入零电流导通阶
图 2 不同阶段的拓扑模型图
（ 1）
uon 0
iT
t
在这一时刻， Lr 储存了电能，电能的大小为：
W t Lr it dt
（ 2）
0
t
（ 2）阶段 2 t1 t2 ：电容 Cr 、 Cs 和缓冲电感 Lr 串联谐振阶段
图5 数字式电流闭环控制系统框图 图4 仿真结果
4
实验验证设计和结果
新型谐振型软开关技术的核心是
采用了无源无损软开关技术，为了进一 步验证该技术的有效性，本文将该技术 应用在电除尘顶部电磁振打清灰控制 系统中。清灰系统所使用的顶部振打器 是利用定子线圈产生的电磁力，使振打 锤提升一定高度，自由落体击打底部的 阳极板来达到产生振打力的装置。实验
* 收稿日期： 2011-04-27
修订日期 ： 2011-06-12
基金项目： 浙江省科技支撑和引导项目（ 2008C21096 ）
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电路与系统学报
第 17 卷
2.2
条件假设 分析如图 1 电路进入稳态后在一个开关周期的工作过程，对电路的条件做如下假设和处理： （ 1）图 1 电路拓扑图中，由于电感 L 足够大，并且与输入电源串联，可将输入端等效为恒流源 I。 （ 2）N 沟道 MOS 场效应管工作在开关状态，开关的状态由栅极的开关脉冲高低电平决定，开关
W t Lr idt
1
ucr
0
t
ucs
0
t
t2
（ 4）
t0 t1
t2
t3
t 4 t5
t6 t7
图3
不同阶段电流电压波形示意图
在该阶段回路电流大大超过正常工作电流，电感、电容处 于谐振阶段。 （ 3）阶段 3 (t 2 t 3 ) ： Lr 能量转移到 Cs 阶段
第3期
王涌等：新型改进谐振型软开关技术研究
的频率由脉冲的频率决定，在分析中把场效应管等效为实际开关。 （ 3）图中的电容 C 足够大，故输出电阻 R 两端可以等效为恒压 E。 （ 4）该模型拓扑图是以 DC-DC 变换器作为 原型的，在实际电路中的负载就是电感 L，电阻 R1 为电感等效电阻。 2.3 工作原理 本电路开关周期可以分为 8 个阶段。图 2 为 软开关电路中各元件在不同阶段的拓扑模型图， 图 3 为不同阶段电流电压波形示意图。 段 在 t 0 时刻开关管 T 导通，在开通瞬间由于电 感具有续流作用， Lr 支路的电流瞬间保持不变， 大小为 I，抑制了开关管中电流的上升，此时开关 管流过的电流为零，满足了软开关技术的 ZCS条 件，使开关管在零电流下导通。缓冲电感 Lr 的作 用是限制开关管导通瞬间的电流上升率，它由输 入的直流电压和开关管导通瞬间所能承受的最 高电流上升率决定的，满足：