直接馈能的无源软开关方法的研究-电源网

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1、StudyofPassiveSoft-SwitchingMethodwithDirectRegeneration直接馈能的无源软开关方法的研究福州大学电气工程与自动化学院林周布Email:lzb@fzu.edu.cn主要内容：1论文背景介绍2．瞬态能量馈能中存在的不可逆性问题3．电荷泵方法处理瞬态能量的馈能复位4．电荷泵新技术的结论直接馈能的无源软开关方法的研究1论文背景介绍为了克服硬开关变换器的缺陷，提出了许多软开关方法。其中无源软开关方法，是利用主控开关PWM通断状态的变化，结合R、D、C无源元器件而设法构成无源

2、缓冲型软开关电路。由于不用额外的有源辅助开关和相应的控制、检测、驱动电路，就有较低的成本、较高的可靠性，而且还可能获得接近于有源软开关方法的效果而得到人们的重视。1论文背景介绍这类技术在非隔离型变换器上获得了良好的效果。然而，在多数隔离型变换器上却不尽人意。主要原因有这些：隔离型变换器是采用高频变压器的电压源型DC/DC，要求缓冲电路与输出电路无关，而且能量最好通过变压器电路直接回馈给输入电压源；如果要求馈能通道只能是输入电压源，那么无源软开关电路很难简单地实现，这里的技术难题是暂态缓冲能量的置零复位。暂态缓冲能量的

3、复位技术许多无源软开关技术是设法利用辅助的电感器与电容器进行电磁能量的单向传递，完成暂态能量的复位。由于LC间的谐振能交换在理论上是百分之百的，因此一般认为LC谐振方法传递电磁能是完全无损可逆的。这种方法虽然没有变压器漏感产生的不良影响问题，但也存在一些缺陷。利用LC间谐振能的可逆交换原理实现暂态能量复位技术的缺陷用于能量交换、传递的电感、电容元件较大，不利于电路微型化；能量交换、传递的回路较多、不简捷，造成缓冲回路相互影响大、元件参数设计复杂，对主开关不利；电感器是品质因数Q较低的元件，其实际损耗不容忽视。小结这

4、些缺陷及附加成本导致隔离型无源软开关技术难以与传统L+RDC有损缓冲技术竞争。为此，寻找传统缓冲电路的更好的替代技术或性价比更优越的软开关电路一直是电力电子技术领域的热门研发课题。本文目的从物理本质上认识开关变换器中非线性瞬态能量传递中存在的不可逆性问题，由此提出一种新型的能适用于隔离型变换器的无源低损缓冲型软开关方法，目的是用较少的无源元器件、较低的成本，并以简捷馈能方式而使为缓冲用的储能元件获得能量为零而复位，来达到软开关电路要求。2．瞬态能量馈能中存在的不可逆性问题高频PWM变换器必然存在着较为严重的暂态能量

5、不可逆性传递问题。这个不可逆性的物理意义是指变换器中的电能不可能百分之百地完全被传递，其中必有部分能量被电路元件消耗造成发热，或耗散在电磁场中成为EMI干扰源。瞬态能量传递的不可逆性例子当电子开关高速工作时，对包含有分布电容、漏电感以及半导体器件的反向恢复电荷、miller电荷等电路的电压或电流的微分效应，也同时产生了较大的瞬态能量。虽然理论上，用软开关电路可以无损可逆地处理这些瞬态电磁能量，但是电路中必然存在这些变化量很大的瞬态电流环路与电压支路。从电动力学观点，这些潜在的“天线”必会出现一些电磁场效应，这是瞬态

6、能量处理中的可能存在的不可逆性问题。缓冲电感器测试的波形图例子图2为用高Q值的红白色铁粉芯环制作的缓冲电感器测试的波形图。图3为用低Q值的黄白色铁粉芯环（100kHz时的损耗为前者的4倍）制作的缓冲电感器测试的波形图。虽然图2的红白色铁粉芯环发热很低，但是波形图中出现明显的高频振荡，而图3的黄白色铁粉芯环虽然很热，但是波形图则“干净“得多。处理瞬态能量时出现能量传递的不可逆性例子许多软开关电路特别添加了有损的饱和电感器来吸收多余的瞬态能量，有的则用稳压管等器件吸收瞬态电压尖峰。下图为文献报道的ZVT软开关实验电路图。

7、从物理本质来看瞬态能量的再生处理的不可逆性电子开关过渡期间产生的瞬态能量的再生处理，类似热力学中热能转换的不可逆性问题。例如开关管的关断并联缓冲电容器对输入电压源的能量再生复位，也就是将电场能从电容器直接向有一定电势的电压源传递，其本质是能量转换的一个不可逆性物理问题。在没有其它元件（如电感器、有源开关）参与下，不可以把该电路中的缓冲电容器上的电荷，百分之百地传递给有一定电势的电压源。认识瞬态能量传递的不可逆性问题的意义认识这个不可逆性问题的性质与特点，也就对瞬态能量的优化处理有了较全面透彻的理解，这就开拓了一条研

8、发绿色高频电力变换与控制技术的新途径。由此对瞬态能量的处理将就不限于只用传统的LC谐振、电流源与电压源之间的无损传递馈能方式。3．电荷泵方法处理瞬态能量的馈能复位本文以工作在100kHz的以功率MOSFET为主控开关的电感电流连续式Boost电路作为研究实例。这是因为它作为电感续流嵌位性质负载的电路，包含了硬开关电路的典型缺陷问题；而且该电路的