一种新型zcs-pwm buck变换器的研究

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1、一种新型ZCS-PWMBuck变换器研究2007-03-1916:12:41   作者：秦岭　谢少军　周晖   来源:电力电子技术关键字：脉宽调制开关电流1引言与功率场效应管(MOSFET)相比，绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有更高的耐压值、更大的能量密度和较低的开通损耗，因此己广泛用于高压、大功率场合。然而，IGBT的开关速度较慢，而且关断时还存在电流拖尾现象，因而会导致较大的关断损耗。解决这两个问题的有效措施是实现IGBT的零电流开关(ZCS)。为此，近几年已陆续提出了多种ZCS脉宽调制(PulseWidth

2、Modulated，简称PWM)技术方案[1-3]。例如，文献[2，3]虽能实现所有有源开关器件的ZCS，但主开关管的电流应力很大，它将显著增加导通损耗。这一问题在文献[4]中得到解决，但辅助开关管的电流应力也很大。而且由于两个谐振电感分别与主开关管、辅助开关管串联，所以损耗较大，且结构复杂。为了有效解决这一问题，文献[5]提出并研究了基于一种新型ZCSPWM开关单元的Boost变换器。在此基础上研究了基于该新型ZCSPWM开关单元的Buck变换器。它在传统Buck电路的基础上增加了一条谐振支路和一条由辅助开关管

3、与二极管串联而成的辅助支路。在整个负载范围内。该新型ZCSPWMBuck变换器的主开关管和辅助开关管均工作在ZCS状态，所有无源开关器件均工作在ZVS状态，因此开关损耗为零。此外，该变换器的谐振电感不再与主开关管和辅助开关管串联，使得损耗明显减小，因此适用于所有使用IGBT的大功率场合。在此。分析了该变换器的工作原理，并通过一台300W，30kHz样机验证了该电路的可行性。2工作原理2．1主电路拓扑图1示出新型ZCSPWMBuck变换器。它由主开关管VS1、辅助开关管VS2、3个二极管VD1～VD3、两个谐振电感

4、Lr1,Lr2及一个谐振电容Cr组成。VS1起到将能量传输到负载的作用；通过VS2传输的能量占总负载能量的比例很小，流过它的电流平均值也很小。2．2工作模态的分析为便于分析新型ZCSPWMBuck变换器的工作原理，首先假设：①变换器工作已达到稳态；②所有功率电子器件均为理想器件；③电感、电容均为理想储能元件；④输入电压Uin恒定；⑤输出滤波电感Lo足够大，使得流过L。的电流iLo可视为恒流Io。这样，Lo，Co及负载电阻RL也可看成是一个电流值为Io的恒流源；⑥谐振电感远小于Lo，即Lr1<

5、。基于此。该变换器在一个周期中的工作，可分为7个模态。图2示出每个工作模态所对应的等效电路。

6、电流开通。(2)模态2[t1～t2]该模态的等效电路见图2b。在该阶段，VS1继续维持导通，此时：模态2的持续时间为△t2=t2-t1=DTs-Δt1(D为占空比，Ts为开关周期)。(3)模态3[t2-t3]该模态的等效电路见图2c。在t2时刻，VS2开通，此时uVD1(t)=0，Lr1和Cr将通过Uin和VS2发生串联谐振，流经VS2的电流iVS2将由零逐渐上升，所以VS2为零电流开通。(4)模态4[t3～t4]该模态的等效电路见图2d。由于VS2已经关断，故Lr1，Lr2和Cr将通过VD1，VD2，VS1和U

7、in发生串联谐振。(5)模态5[t4-t5]该模态的等效电路见图2e。Lr1，Lr2和Cr将通过VS1的反并二极管继续谐振。(6)模态6[t5-t6]该模态的等效电路见图2f。此时，Lr1，Lr2和Cr只与电流源串联，导致Cr线性放电，谐振结束。iLr1(t)=iLr2(t)=Io　　(11)(7)模态7[t6～t7]该模态的等效电路见图2g。在该模态中，Io经过VD1，VD2续流。在t7时刻，零电流开通VS1，开始下一个周期。由上述分析可得变换器在一个周期的工作波形，图3示出新型ZCSPWMBuck变换器在一个

8、周期内的主要波形。由图3可见，要确保其在不过载的情况下也能实现ZCS软开关，唯一的条件是3仿真及实验结果通过Saber仿真软件对新型ZCSPWMBuck变换器进行了仿真分析。参数设置：输入电压Uin=100V。额定输出电压Uo=60V，额定输出功率Po=300W，开关频率fs=30kHz，Lr1=Lr2=6μH，Cr=100nF，Lo=1mH，滤波电容Co=470μH,为