谐振开关变器的时间平均等效电路建模.doc

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1、第七章谐振开关变换器的时间平均等效电路分析在开关变换器中，磁性元件和电容器作为主要的能量储存、传输和纹波滤波器件而占据了开关变换器体积和重量的主要部分，为了减小开关变换器的体积、重量和成本，需要提高开关变换器的工作频率。然而，在常规PWM开关变换器中，开关频率的提高导致了开关器件的损耗的增加。为了克服常规PWM开关变换器的这些局限性，人们提出了谐振开关变换器电路拓扑。由于谐振开关变换器电路比常规PWM开关变换器电路的工作过程复杂得多，随之传统的状态空间平均方法已不适用于谐振开关变换器电路的分析。本书第四章讨论的开关变换器的时间平均等效电路建模方法，原则上对于任何以固定时钟频率fs运行的周期

2、性开关网络Ns都适用，在本章我们将讨论时间平均等效电路建模方法在谐振开关变换器中的应用。7.1ZCS-QRCBuck变换器平均时间等效电路分析下面我们将以零电流开关(ZeroCurrentSwitch,ZCS)准谐振变换器(QuasiResonantConverter,QRC)Buck变换器为例，讨论平均时间等效电路建模分析方法在谐振开关变换器中的应用。7.1.1ZCS-QRCBuck变换器工作原理在PWMBuck变换器中加入由构成的谐振电路，可以得到如图7-1所示ZCS-QRCBuck变换器。在ZCS-QRCBuck变换器，存在两类不同的动态元件：谐振元件和低通滤波元件，为了分析其稳态和

3、交流小信号特性，作如下假设：1）2）开关频率远大于低通滤波器的特征频率，因此，在一个开关周期内，可以把电感看作一个恒流源，该恒流源的值为一个开关周期内流过电感的平均电流；把输出滤波器C2-L2及负载看作电流值为的恒流源3）开关器件为理想元件，即开关管的导通压降为零、关断电流为零4）储能电路中的电抗元件是理想的图7-1.ZCS-QRCBuck变换器电路定义下列参数：阻抗特性值,谐振角频率，谐振频率。如图7-1所示ZCS-QRCBuck变换器在一个开关周期内有四个开关工作状态，如图7-2所示。在开关管S导通之前，二极管D上流过输出电流，电容电压钳位到零。(a)(b)(c)(d)图7-2ZCS-

4、QRCBuck谐振变换器在一个开关周期中四个阶段的等效电路(a)[T0,T1]，(b)[T1,T2]，(c)[T2,T3]，(d)[T3,T4](1)线性充电阶段[T0，T1](图7-2(a))在开关周期开始时刻，开关管导通，谐振电感电流由线性增大；在T1时刻，增大到，即时，二极管关断。在这一阶段(7-1a)则由边界条件：和，可以得到这一阶段的持续时间(7-1b)(2)谐振工作阶段[T1，T2](图7-2b)在T1时刻，谐振电感电流上升到，二极管D反向关断，电流给电容充电。在时刻，谐振到零，开关管S关断，实现开关管S的零电流关断。在这一阶段(7-2a)(7-2b)在时刻=0，(7-2c)则

5、(7-2d)(7-2e)而在时刻，，代入(7-2d)，可以得到这一阶段的持续时间：(7-2f)其中。当图7-1中开关S单向导通时，谐振电感电流下降到零时，开关管关断，变换器工作于半波模式，；而当图7-1中开关S双向导通时，谐振电感电流下降到零后，通过开关管的反并联二极管继续谐振，当谐振电感电流再一次谐振到零时，开关管关断，结束这一工作阶段，变换器工作于全波模式，。在时刻(7-2g)(3)恢复阶段[T2,T3](图7-2(c))由于开关S在T2时刻关断，电容C1通过输出回路放电，线性下降。在时刻，线性下降到零。在这一阶段(7-3a)由于在时刻，；而在时刻，，则我们可以得到这一阶段的持续时间(

6、7-3b)(4)惯性工作阶段[T3,T4](图7-2(d))在这一阶段，输出电流流过二极管D。这一阶段的持续时间(7-4)其中T为一个开关周期。7.1.2ZCS-QRCBuck变换器时间平均等效电路模型对于ZCS-QRCBuck变换器及其在一个开关周期内的四个等效电路，如图7-1和图7-2所示，根据时间平均等效原理，我们可以用受控电压源来代替开关S，用受控电流源来代替二极管D，得到它的时间平均等效电路，如图7-3所示，其中受控电压源的值为一个开关周期内开关S两端电压的平均值，受控电流源的值为一个开关周期内流过二极管的电流的平均值。图7-3ZCS-QRCBuck变换器的时间平均等效电路由式(

7、7-1)~(7-4)及图7-2(a)~2(d)，根据时间平均等效原理，我们可得图7-3中(7-5a)(7-5b)将式(7-1)~(7-4)中给出的，，，代入(7-5a)和(7-5b)，我们发现当电路工作于直流稳态时，，因此，我们可以得到(7-6a)其中(7-6b)对于半波工作模式，对于全波工作模式，将(7-6)代入(7-5)，可得(7-7a)(7-7b)其中是开关频率，是谐振频率。如图7-4所示为半波模式和全波模式时与的