一种新型的ZVS关断电路的研究

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一种新型的ZVS关断电路的研究

摘要：软开关技术是开关电源中的一个重要研究领域。根据磁性元件的电压极性在不同开关状态下也不同的特点，提出了一种新型的ZVS关断电路。这种关断电路所附加的元件很少，但可以实现优良的软关断效果。以CCM Buck电路为例，对该ZVS关断电路进行了详细的理论分析。最后的实验结果证实了理论分析，表明这种电路的正确性和可行性。    关键词：软开关；吸收电路；零电压开关
引言
软开关（ZVSZCS）技术可以显著地减小开关损耗，是开关电源的一个重要研究领域。迄今为止，实现软开关的方案很多，归纳起来可以有以下几种不同形式：
1）直接利用谐振实现的谐振软开关，它可以实现良好的软开关效果，但却需要采用变频控制策略，使磁性元件的设计难以优化；
2）利用辅助开关实现的有源软开关技术，可以实现PWM控制策略，并达到很好的软开关效果，但它需要辅助开关管及其控制驱动电路，不利于增加开关电源的功率密度，可靠性也有所降低；
3）采用无损吸收电路实现软开关技术，仅需要附加少量无损元器件（电容、电感和二极管），就可以实现软开关[1][2][3][4][5][6][7]，且可以采用PWM控制，便于设计磁性元件。
本文提出了一种新型的无源无损ZVS软开关电路，它利用主电感电压极性跟随开关状态改变的特点，来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电。该电路具有使用元器件少，无需额外的辅助开关，且软开关效果好，控制方便等许多优点，研究结果证明该电路是可行的。
1 新型的磁耦合式ZVS关断电路
如图1所示，新型的ZVS关断电路所包含的元器件很少：小电容Cs和二极管Ds，用于实现主开关的ZVS关断；小电感LR、二极管DR和主电感的耦合电感Lmc，给Cs创造充电的准谐振条件。将图1中的A～E各个端点连接到电路的恰当位置，就可以为具体电路构造ZVS关断条件。
图2所示为一个带新型磁耦合式ZVS关断电路的Buck拓扑，虚线所包围部分为附加上去的ZVS关断电路。

图1、2
这种新型的关断电路可推广到所有带单开关的基本拓扑中，如图3所示。

图3 带新型ZVS关断电路的基本拓扑
由于Cuk、Sepic和Zeta拓扑都含有两个主电感，这两个主电感的电压极性都随着开关状态发生改变，故它们都可以用于构造新型的ZVS关断电路。
2 带新型ZVS关断电路的CCM Buck拓扑的工作原理
以CCM Buck电路为例，说明新型ZVS关断电路的工作原理。为方便电路分析，做如下假设：
1）输入电压Vin为恒定值；
2）输出电容Co足够大，输出电压Vo恒定；
3）所有元器件都是理想的，忽略其寄生参数；
4）耦合电感可视为励磁电感Lm和一个理想变压器组成，励磁电流Im为大于零的恒定值。
电路共有5个工作模态，如图4所示，其工作波形如图5所示。通路用粗线表示。

图4 电路各个工作模态图

图5 各个工作模态的主要波形图
模态1〔t0－t1〕 t0时刻，电容Cs放电完毕，Do实现ZVS开通，电路进入Lm放电状态，其电流为Im。
模态2〔t1－t2〕 t1时刻，S开通。输入电流iin马上跃升到Im，输出二极管Do立即关断（S和Do这时都不是软开关，这不是本文研究的内容）。S开通后，V1的极性变为正，其感应电压V2也跟着变为正；Cs和LR在V2作用下发生串联谐振。设耦合电感的变比为N2/N1，则有：


此时，iin（t）包含有两个电流分量，即
iin(t)=Im＋iLRc(t)    （4）
式中：iLRc(t)=(N1/N2)iLR(t)
模态3〔t2－t3〕 t2时刻，vCs(t)到达最大值Vin，并维持不变。iLR(t)在电压(Vin－V2)的作用下线性下降，即

模态4〔t3－t4〕 iLR(t)在t3时刻下降到零，并维持不变，电路进入LM充电阶段。
模态5〔t4－t5〕 t4时刻S关断，Cs放电，vCs(t)线性下降，实现主开关的ZVS关断。故S上的电压为

在t5（对应于前面的t0）时刻Cs放电完毕，开始下一个工作周期。
3 新型关断电路ZVS的实现条件
根据模态3，电路能够实现ZVS的条件是在t2时刻，vCs(t)的最大值必须大于Vin。而vCs(t)的最大值取决于N2/N1和输入输出电压之差，根据式（1）和式（3），并设m=Vo/Vin，则有

其曲线如图6所示，位于曲线下方的区域满足ZVS条件。

    由模态5可以看出，S在关断时候的电压上升速率由Cs和Im决定，见式(6)。对于确定的Cs，当Im越大时（即负载电流越大的时候），其斜率也大，后面给出的试验波形图也可以说明这一点。
4 实验结果
根据上述的理论分析，设计了一个CCM Buck变换器。其主要参数如下：Vin=40V；Vo=13V，LR=10mH，Cs=44nF，N2/N1=1，Lm=74mH；Ds和DR采用超快速恢复二极管，Do为肖特基二极管。开关频率为50kHz。
试验研究了电路在不同负载电流条件下，主电路开关过程的试验电压和电流波形分别如图7～图9所示。由图可以看出，开关管实现了ZVS，且开关管的电压应力等于输入电压；开通过程也近似于ZCS开通，额外的谐振电流分量相对于主电流来说不大，不会对电路的工作造成不良影响。


图7和图8
5 结语
本文提出的新型ZVS关断吸收电路，巧妙地利用了不同开关状态下主电感电压极性的不同，来恰当地控制ZVS关断电容的充电和放电，从而实现了软开关。从理论分析和实验结果可知，这种无源无损吸收电路可以实现开关管ZVS关断，开通也接近ZCS效果。且开关管所承受的最大电压应力等于输入电压。

    这种ZVS关断吸收电路所需要的外加元器件数量很少，而且可以很容易地推广到其它各种基本拓扑结构中。