零电压过渡正激型软开关拓扑结构

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摘要:本文针对正激型电路分析了零电压过渡po软开关拓扑存在的辅助开关是硬开关的问题，并提出了一种新的辅助开关零电流关断的拓扑，新的拓扑具有效率高、电路简单、易于实现和变压翻磁心利用率高的优点.一个输出功率为10ow的装置上进行的实验证实了拓扑的可行性，同硬开关电路相比，新电路的效率提高3%-4%

一、概述

电源 装 置 的发展趋势是小型化和轻量化，为了减小装里的体积和重量、提高开关频率是最可行的方法.然而随着开关频率的提高，开关器件的损耗也越来越大，带来了效率降低和发热严重等向题，软开关技术较好的解决了这些问题，给开关变换技术带来了一次革命，电源装置的开关频率从70。年代末期的20kHz迅速提高到现在的500kHz-1MHz。

软开关技术主要包括一系列软开关电路拓扑及相应的控制技术，从出现至今，已经历了不断完善的三个发展阶段!11: 1)零电压和零电流准谐振电路;2),V电压和零电流开关PWM电路; 3)!T电压和零电流过渡PWM电路.其中零电压过渡PWM(ZVT PWM)电路具有高效、易于实现、开关频率固定等诸多优点，被广泛地用于PFC整流电路和各种DC-DC变换电路。

然而这一拓扑也存在一些不足之处，电路中的辅助开关工作在硬开关的条件下，会产生一定的开关损耗和开关噪声，因此有必要寻求新的拓扑，改善铺助开关的开关条件.本文 针 对 应用十分广泛的正激型电路，分析了零电压过渡PWM电路的基本原理和存在的问题，并提出了一种新的辅助开关零电流关断的零电压过渡PWM拓扑，它结构简单，容易实现.在一个功率为100W的装置上进行的实验证实了电路的可行性，同硬开关电路相比，电路的效率有了明显的提高.

二、零电压过渡PWIA软开关电路的基本原理存在的主要问题

以正 激 型 电路为例，零电压过渡PWM(ZVTP WM)电路的拓扑见图la，其各点的原理性波形见图b

辅助 开关VM超前于主开关VI开通，通过L}1与C的谐振使Vi两端的电压，咚降为雳，这时使vi开通，就不会产生开通损耗.由于C的存在，vi关断后电压UCE的上升IMM,因此vi的关断损耗也会明显降低.VI的关断使二极管VDI关断，而VI的开通使VD2 关断，由VD、和VD:关断时经历严重的反向恢复过程，产生损耗和噪声.高的迄弄黔弄通后，辅助开关VM关断，电感Lrl的电流转移到、中，。二极管VD3向电源回懊.辅助开关VM是硬关断的.一在 新PWM电路虫主开关器件和整流二极管的开关条件都是很好的，但辅助开关的却并不好。辅助开关处理的电流有效值并不大，所以可以用电流容量较小的器件，通态损耗并不大.伽开通后其电流上升率受谐振电感Lr、限制，因此其开通损耗也不会很大，但其关断时电流很大，一般大于主开关vi关断的电流，而且VM关断后其两端电压上升很快，因此，辅助开关的关断损耗会比较大.

三、新的软开关电路拓扑及工作原理

图2 拓扑及原理性波形

这一 拓 扑 的墓本结构是单管正激型电路，主开关为VI，图中画出了它的反并联二极管，电容C包含了实际的电容元件和VI的结电容，VDI, VD2为二次侧整流电路，电感L和电容C构成输出滤波电路.同传统的硬开关正激电路不同，新的电路中没有复位绕组，变压器磁心复位的原理本文将详细介绍.绕组 N 3 、谐振电感L零电压过渡。二极管VD3和辅助开关VM构成辅助换电路，实现主开关的变压器的匝比为Ni:N 3=1 :K,(K >1).N ,:N2=1:K,K 关断后主开关两端电压uCE上升率受到限制，vi的关断损耗也会明显降低.

这 种拓 扑 不仅改善了主开关VI的开通和关断条件，而且辅助开关VM的也是在零电流的条件下关断的，四个二极管的关断过程也是“软”的，这样，所有的开关器件的开关条件都比较好，电路的总损耗会明显下降.

四、变压器磁芯的复位

与传 统 的 正激电路不同，新的拓扑中没有变压器复位绕组和复位用的二极管，主开关关断期间变压器的复位由电容G完成.VI关断后、变压器的激磁电感L二与电容G形成谐振，等效电路如图3a,VI 关 断 后，输出滤波电感L向电容C充电、uCE迅速上升，当uCE=Ui,时，二极管VD2导通，VDi关断，L、开始同C谐振，存储在Lm中的激磁电流IL.向C充电，uCE逐渐升高，激磁电流则不断减小，当激磁电流减小到零时·UCa达到峰值、此时变压器的碱动势已为零，磁通的值为剩磁.接下来C开始通过Lm放电，激磁电流反向，变压器中磁动势反向，磁通进一步降低，直到VI开通.

图 3 复 位 过程 谐 振 等 效 电 路 和原 理 性 波 形

传 统的 正 激电路由于复位电路中电流不能反向，因此复位后磁通为剩磁，变压器磁心的利用率受到限制、而新的电路在复位过程中磁通可以低于剩磁，甚至低于零，大大提高了变压器磁心的利用率、在同样的工作电压和开关频率的条件下，可以减少匝数或降低损耗，有利于提高效率、降低成本.复 位 过 程中C的谐振电压最大值为

其中，I+为激磁电流的正向峰值.因为开关管要承受的电压Um，因此谐振峰值电压不应太高.谐 振 的周期

若要磁心能可靠复位，则谐振的电压峰值应出现在VI再次开通前，则必须

 五、实验及结果分析

实验 装 置 如图2a、其中主开关vi采用IGBT:1MB60D-100(1000V.60A),辅助开关VM 采用MOSFET: IRFP450(500V.14A)，二极管w ,采用快恢复二极管: DSEI12-10(I000V.12A)，二次侧整流二极管VD,和VD2采用快恢复二极管:Iv1UR3040(400V.30A).
变压器绕组参数为N,:NZ:N3=1:0.8: 1.2.谐振电容C取4.7nF。辅助开关开通超前时间At取750ns、装置 的 输 出电压采用负电压反馈的方法稳定于30.2V, 输出功率为1IOW。

5.1.没有电容C的硬开关工作

这时 辅 助 开关支路被断开，复位绕组，电路中增加了二极管.电路处于硬开通、硬关断的工作状况，主开关的驱动电压UGE和集一射电压。二的波形如图4.可以看出，开通和关断时的}ducPldt}都很大。这 一实 验 模拟了实际中小功率应用的无吸收电路的上作状沉

5.2 .有 电 容C的硬开关工作

这 时辅 助 开关支路断开，但接人电容C的驱动电压uce和集一射电压uce的波形如图5，电路处于硬开通、软关断的工作状况，开关.可以看出，开通时的}duce/dt很大，但关断后uce的上升率受到抑制，因此关断损耗将会降低
辅助 开 关 两端的电压Up。和电流、见图7、可以看出，在邢助汁夭天助lucs卜降J90 ,

其支路的电流就已经下降为零了，因此辅助开关不会有关断损耗，而且在开通后。辅助开关中的电流的上升率并不太大，因此其开通时的损耗也不会很明显.

六、结论

本 文分 析 了零电压过渡PWM电路的不足之处，即辅助开关的硬开关过程降低了电路的损耗，在此基础上，本文提出了一种辅助开关是零电流关断的正激型零电压过渡PWM软开关电路，并对其工作原理和参数设计方法进行了介绍.在一个HOW的装置上进行的实验证实了这种电路的可行性，并具有如下优点:

1)电 路 简 单.同原正激电路相比，仅增加了辅助开关、谐振电感、谐振电容和一个二极管，以及变压器的一个绕组、并且容量都很小，同时原来电路中的吸收电路(RC或RCD)都可以省去，磁心复位绕组和二极管也可以省去.

2)效 率 高 .新拓扑的效率明显高于硬开关电路.

3)磁 心 利 用率提高，新的拓扑的变压器磁心可以正负双向激磁，工作于磁化曲线的I.m象限，同绕组复位方式相比，磁心利用率大大提高.

4)易 于 实 现.辅助开关的控制很简单，其开通比主开关提前一定的时间At，·而关断可以于主开关同时，因此可以采用现有的ZVT PWM控制芯片，增加一个逻辑电路来实现。

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