軟開關(guān)技術(shù)4-3簡版

1、4-3 準(zhǔn)諧振與多諧振準(zhǔn)諧振與多諧振DC/DC變換器變換器 準(zhǔn)諧振與多諧振變換器是較早提出的一類軟準(zhǔn)諧振與多諧振變換器是較早提出的一類軟 開關(guān)變換器，它是在常規(guī)開關(guān)變換器，它是在常規(guī)DC/DC開關(guān)變換器的基開關(guān)變換器的基 礎(chǔ)上加上諧振電感和諧振電容形成的。由于運(yùn)行礎(chǔ)上加上諧振電感和諧振電容形成的。由于運(yùn)行 中，變換器工作在諧振模式的時間僅占一個開關(guān)中，變換器工作在諧振模式的時間僅占一個開關(guān) 周期的一部分，其余運(yùn)行在非諧振模式，所以稱周期的一部分，其余運(yùn)行在非諧振模式，所以稱 之為準(zhǔn)諧振變換器。之為準(zhǔn)諧振變換器。 零電流與零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān)零電流與零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān) 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（零電流開

2、關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZCS-QRCsZCS-QRCs） 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZVS-QRCsZVS-QRCs） 零電壓多諧振變換器（零電壓多諧振變換器（ZVS-MRCsZVS-MRCs） 4-3-1、零電流與零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān)、零電流與零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān) 準(zhǔn)諧振開關(guān)一般由一個開關(guān)器件和準(zhǔn)諧振開關(guān)一般由一個開關(guān)器件和LCLC諧諧 振電路構(gòu)成，分為振電路構(gòu)成，分為零電流零電流和和零電壓零電壓兩類兩類。 零電流零電流 零電壓零電壓 零電流零電流L型型 零電流零電流M型型 零電壓零電壓L型型 零電壓零電壓M型型 L型半波型半波 L型全波型全波 M型半波型半波 M型全波型全波 L型半

3、波型半波 L型全波型全波 M型半波型半波 M型全波型全波 零電流型：零電流型：S1S1開通激發(fā)，諧振電流到零開通激發(fā)，諧振電流到零 S1 Lr Cr Lr S1 M Cr 零電流零電流L型型零電流零電流M型型 零電壓零電壓L型型 LrS1 Cr S1 Lr Cr 零電壓零電壓M型型 L型半波、全波模式 Lr Cr S1 DQ S1 Lr Cr S1 DQ LrS1 Cr S1 Cr Lr DQ 4-3-2 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZCS-QRCsZCS-QRCs） 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 開關(guān)在零電流條件下開通和關(guān)斷，峰開關(guān)在零電流條件下開通和關(guān)斷，峰 值諧振電流流經(jīng)電路開關(guān)，值

4、諧振電流流經(jīng)電路開關(guān)， 但峰值電壓但峰值電壓 與普通開關(guān)型變換電路相同。與普通開關(guān)型變換電路相同。 基本的基本的Buck變換器變換器 Ui C D SL R Uo iS ii OL ii ii ON o ooi OFFoONoi DUU T t U TDUDTUU tUtUU )()( )( 1 1 1、BuckBuck型零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路型零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路 工作原理：開關(guān)閉合時，由于電感工作原理：開關(guān)閉合時，由于電感Lr的作用，的作用， Q1在零電流下導(dǎo)通，在零電流下導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通后，電感導(dǎo)通后，電感Lr與電容與電容 Cr諧振，使諧振，使Q1通過的電流呈近似正弦波，當(dāng)電通過的電

5、流呈近似正弦波，當(dāng)電 感電流諧振到零時，感電流諧振到零時，Q1可在零電流下關(guān)斷?？稍诹汶娏飨玛P(guān)斷。 （a）半波模式半波模式 D 1 R 0 L f C f V 0 V in Q 1 L r i Lr vCr C r D Q1 0 D 1 R 0 L f C f V V in Q 1 Lr i Lr vCr C r DQ1 （b）全波模式全波模式 工作波形工作波形 （a）半波模式半波模式 M （b）t1，t2 諧振階段諧振階段 M D1 Lf I0 Vin Q 1 Lr iLr vCr Cr （a）t0，t1 電感充電階段電感充電階段 Lr M D1 Lf I0 Vin Q1 iLr vCr C

6、r I0 t t t t t1t3 t2 t0t4 a t1 iLr vCr vds vgs Vin Vin in2V Vin Zr + +I0 串聯(lián)二極串聯(lián)二極 管所承受管所承受 半波模式半波模式Buck ZCS QRCs 各開關(guān)模態(tài)等效電路各開關(guān)模態(tài)等效電路 （a）半波模式半波模式 （c）t2，t3 電容放電階段電容放電階段 M D1 I0 Vin Q1 Lr iLr vCr Cr （d）t3，t4自然續(xù)流階段自然續(xù)流階段 M D1 I0 Vin Q1 Lr iLr vCr Cr I0 t t t t t1t3 t2 t0t4 a t1 iLr vCr vds vgs Vin Vin in

7、2V Vin Zr + +I0 串聯(lián)二極串聯(lián)二極 管所承受管所承受 全波模式全波模式Buck ZCS QRCs 各開關(guān)模態(tài)等效電路各開關(guān)模態(tài)等效電路 M I 0 t t t t t1 t3t2 t0 t4ta1 iLr v Cr v ds v gs V in V in 2 t b1 V in （b）全波模式全波模式 Cr （b）t1，t1b 諧振階段之一諧振階段之一 DQ1 Q1 Lr iLr D1 I0 vCr （a）t0，t1 電感充電階段電感充電階段 D1 I0 Vin Q1 Lr iLr vC r DQ1 Cr 全波模式全波模式Buck ZCS QRCs 各開關(guān)模態(tài)等效電路各開關(guān)模態(tài)等

8、效電路 （b）全波模式全波模式（b）全波模式全波模式 （c）t1b，t2 諧振階段之二諧振階段之二 （d）t2，t3 電容放電階段電容放電階段 D1 I0 Vin Q 1 Lr iLr vCr Cr DQ1 M I 0 t t t t t1 t3t2 t0 t4ta1 iLr v Cr v ds v gs V in V in 2 t b1 V in D1 I0 Vin Q1 Lr iLr vCr Cr DQ1 （e）t3，t4 自然續(xù)流階段自然續(xù)流階段 S：ZC ON ZC OFF D1：ZV ON ZC OFF 全波模式全波模式Buck ZCS QRCs 各開關(guān)模態(tài)等效電路各開關(guān)模態(tài)等效電路

9、 D1 I0 Vin Q1 Lr vCr Cr DQ1 不同模式工作波形比較不同模式工作波形比較 （b）全波模式全波模式 （a）半波模式半波模式 I0 t t t t t1t3 t2 t0t4 at1 iLr vCr vds vg s Vin Vin in2V Vin Zr + + I0 串聯(lián)二極串聯(lián)二極 管所承受管所承受 M I0 t t t t t1 t3t2 t0 t4ta1 iLr v Cr vds v gs V in V in 2 t b1 V in Buck ZCS QRCs 仿真電路及主要波形仿真電路及主要波形 Dbreak D1 V2 TD = 0.01u TF = 0.01u

10、 PW = 1u PER = 2u V1 = 0 TR = 0.01u V2 = 15Cr 64n R1 4 Q1 IRFP460 Lf 100uH 12 0 Cf 10u Lr 1.6uH 12 R3 10 V1 20Vdc Dbreak D2 R2 10k 半波模式半波模式 半波模式半波模式 半波模式?jīng)]有諧振到零半波模式?jīng)]有諧振到零 V1 20Vdc Q 1 IRFP460 R2 10k Dbreak D2 Lr 1.6uH 12 R3 10 Dbreak D1Cr 64n 0 Lf 100uH 12 Cf 10u R1 6 V2 TD = 0.001u TF = 0.001u PW =

11、1.55u PER = 2.8u V1 = 0 TR = 0.001u V2 = 15 全波模式全波模式 全波模式?jīng)]有諧振到零全波模式?jīng)]有諧振到零 參數(shù)設(shè)計(jì)：參數(shù)設(shè)計(jì)： 1 1、 和和 的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) LrCr 任意負(fù)載下均能實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，則有任意負(fù)載下均能實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，則有 I Z V r in maxo 或或 I V Z o in r max I V KZ o in cr max 改寫為：改寫為：式中式中 KC1 CL f rr r 2 1 而：而： 則有：則有： min 22 rVin r o rr VZK L ff I omin 11 22 r rvin rr I C ff VZK

12、min min oo i in V I I V 2 2、開關(guān)管和二極管的選取開關(guān)管和二極管的選取 maxmax 2 LriII max max min (1) o irvCroo o I VVVI ZK I + Q1 1maxQiII ： DQ1 1maxmaxDQiII 1max 2 QoVV 1 2 DQoVV 正向正向 D1 1maxmax 2 DiII 3 3、電壓轉(zhuǎn)換比、電壓轉(zhuǎn)換比 M M與與 有關(guān)與負(fù)載無關(guān)（全波）有關(guān)與負(fù)載無關(guān)（全波） M D Q1 R0 Lf Cf V0 Vin Q 1 Lr iLr vCr C r D1 1DoVV minmino o iroro in V V

13、VIZIZ V 4 4. . 零電壓條件改寫零電壓條件改寫: : min in o r V I Z S r f f 小小 結(jié)結(jié) (1) ZVS-QRCs實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通、關(guān)斷，與普通實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通、關(guān)斷，與普通 Boost DC/DC 變換電路相比，流過開關(guān)管的電壓應(yīng)力增大，負(fù)載比變換電路相比，流過開關(guān)管的電壓應(yīng)力增大，負(fù)載比 值越大，諧振電容上的電壓越高，開關(guān)管兩端電壓應(yīng)力越大，值越大，諧振電容上的電壓越高，開關(guān)管兩端電壓應(yīng)力越大， 限制了負(fù)載的變化。限制了負(fù)載的變化。 (2) 零電壓開關(guān)條件若零電壓開關(guān)條件若 ，則，則vCr不可能自然諧振回零，從不可能自然諧振回零，從 而造成開關(guān)器件零電

14、壓導(dǎo)通失敗，只有滿足而造成開關(guān)器件零電壓導(dǎo)通失敗，只有滿足 ， 才能保證才能保證 軟開關(guān)操作。在諧振參數(shù)、輸入輸出確定后，負(fù)載電流保證在軟開關(guān)操作。在諧振參數(shù)、輸入輸出確定后，負(fù)載電流保證在 大于某一數(shù)值范圍內(nèi)變化，負(fù)載不能過輕。大于某一數(shù)值范圍內(nèi)變化，負(fù)載不能過輕。 (3) ZVS-QRCs也是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來調(diào)節(jié)輸出的?？烧{(diào)時間也是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來調(diào)節(jié)輸出的?？烧{(diào)時間 段是（段是（t3-t4）導(dǎo)通時間導(dǎo)通時間。 電壓轉(zhuǎn)換比：電壓轉(zhuǎn)換比：1關(guān)系圖關(guān)系圖 (4) 電磁干擾減小電磁干擾減小 ZIVri 0 ZIVri 0 二、二、ZCS-QRCs與與ZVS-QRCs的比較的比較 (1) 對偶

15、關(guān)系（見教材對偶關(guān)系（見教材P109） (2) 輸出調(diào)節(jié)均通過改變開關(guān)頻率，零電流改變關(guān)斷時間，零輸出調(diào)節(jié)均通過改變開關(guān)頻率，零電流改變關(guān)斷時間，零 電壓改變導(dǎo)通時間。電壓改變導(dǎo)通時間。 (3) ZCS-QRCs中，開關(guān)通過的峰值電流為中，開關(guān)通過的峰值電流為 ，零流關(guān)斷必，零流關(guān)斷必 須滿足須滿足 ，負(fù)載不能過重；，負(fù)載不能過重；ZVS-QRCs中，開關(guān)承受的電中，開關(guān)承受的電 壓為壓為 ，為保證零壓導(dǎo)通，必須滿足，為保證零壓導(dǎo)通，必須滿足 ，即，即 ，負(fù)，負(fù) 載不能過輕，當(dāng)負(fù)載變化較大時，開關(guān)會承受很高電壓，因此載不能過輕，當(dāng)負(fù)載變化較大時，開關(guān)會承受很高電壓，因此 適用于恒定負(fù)載。適用于恒定負(fù)載。 (4) 頻率高時頻率高時ZVS-QRCs優(yōu)于優(yōu)于ZCS-QRCs，因因ZCS開通損耗與頻開通損耗與頻 率有關(guān)，率有關(guān)，ZVS無這部分損耗。無這部分損耗。 Z V I r in + 0 Z V I r in 0 ZIVri + 0 ZIVri 0 Z V I r in 0 Integrated ZCS Quasi-Resonant Power Factor Correcti