一種新型的有源軟開關變換器

褚恩輝， 葉樹仁， 王遨宇

(東北大學信息科學與工程學院，沈陽市 110004)

一種新型的有源軟開關變換器

褚恩輝， 葉樹仁， 王遨宇

(東北大學信息科學與工程學院，沈陽市 110004)

為實現一種結構簡單，高效，高頻，低的電壓應力，簡于控制的軟開關升壓變換器，提出一種有源輔助諧振換流新型軟開關變換器，即通過采用簡單的有源輔助諧振網絡實現了主、輔開關管的軟開關，主開關管實現了零電壓零電流開通、零電壓關斷，開關管電流電壓應力小，輔助開關管實現了零電壓零電流關斷、零電流開通，特別適用于以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關器件的高電壓大功率場合。本文以其在Boost變換器的應用為例，分析了他的工作原理，軟開關實現條件，給出了諧振參數的設計方法，該軟開關設計思想可以推廣到其他基本的DC-DC變換器中。制作了一個使用IGBT的3kW－16kHz的實驗樣機，通過仿真和實驗驗證了該變換器的有效性。

輔助諧振換流;有源DC-DC變換器;軟開關

0 引言

硬開關PWM變換器以其拓撲結構簡潔、控制方式簡單、工作頻率恒定以及輸出調節特性好而得到廣泛應用。在高電壓、大功率應用場合，功率器件承受的電壓、電流應力大，開關損耗大，并且電壓尖鋒和電流浪涌帶來的電磁干擾可能影響變換器的正常工作。為了有效地解決這些問題，近年來國內外提出了很多軟開關技術［1－8］，如諧振開關技術、零開關技術和零轉移技術等。其中零轉移變換器由于采用有源輔助諧振網絡技術［9－14］，利用輔助開關控制諧振元件的諧振過程，在保持PWM斬波電路優點的同時實現了軟開關，減少了開關損耗，成為電力電子領域的研究熱點。盡管目前出現了許多新型斬波電路拓撲，但仍存在一些不足，如拓撲結構較復雜、開關管電壓電流應力大、輔助管不能實現軟開關、存在較大環流等。文獻［15］雖可以解決上述問題，但回路需要增加3個輔助開關管和一個互感器，拓撲結構過于復雜，不易于控制，對變換效率提高和小型化不利。

本文提出一種新型的有源軟開關變換器，它通過采用簡單的有源輔助諧振網絡實現了主、輔開關管的軟開關，開關管的電流電壓應力小。這一新的諧振網絡僅增加了一個輔助開關管，使其拓撲結構較為簡單，易于控制。本文對新的軟開關拓撲結構進行了詳細的分析，并通過實驗驗證了其可行性。

1 電路拓撲與工作原理

1.1回路結構

新型有源輔助諧振變換器主電路拓撲如圖1所示。S1、D1、Lm和Co分別為回路的主開關管、輸出整流二極管、輸入濾波電感和輸出濾波電容，DS1是主開關管S1的反并聯二極管。有源輔助諧振網絡由輔助開關管S2，諧振電感Lr、諧振電容CS、諧振電容Cr和二極管D2組成，DS1是輔助開關管S2的反并聯二極管。

1.2 基本工作原理

圖2和圖3分別給出了變換器工作時的主要波形和模式圖。圖中 vg－S1、vg－S2分別為主開關管 S1和輔助開關管S2的驅動波形。

為簡化分析，做如下假設:1)電路中所有器件都是理想的，輸入濾波電感Lm足夠大，用恒流源ILm代替。2)輸出濾波電容Co足夠大，用恒壓源Vo代替。設t=t0以前，主開關管S1和輔助開關管S2關斷，諧振電容CS的電壓為輸出電壓Vo，諧振電容Cr的電壓為零。一個開關周期內有9種運行模式，如圖3所示。

①模式1:［t0～t1］如圖3(a)所示。在t0時刻，輔助管S2開通，Lr和Cr發生諧振，流過輸出整流二極管D1的電流iD1開始向Lr換流，在Lr的作用下，S2為ZCS開通。Lr的電流iLr從零開始上升，D1的電流從ILm開始減小.當D1的電流減小到零時，自然地ZCS關斷。在這一模式中有

②模式2:［t1～t2］如圖3(b)所示。t1時刻，iD1=0，整流二極管D1零電流關斷，Lr與CS、Cr發生諧振，CS的電壓逐漸降低，Cr的電壓VCr繼續上升，在這一模式中有:

圖3 變換器模式圖Fig.3 Topological states of converter

模式2的工作時間t12可由式(9)確定，由于式(9)為一求t12的超越方程，可通過數值解析來確定。

③模式3:［t2～t3］如圖3(c)所示。t2時刻，VCs=0，DS1自然導通，Lr與 Cr發生諧振，Cr的電壓VCr繼續上升，當 iLr諧振下降 ILm時，這個時間段結束。在DS1自然導通期間的任何時刻開通主開關管S1均可實現主開關管S1零電壓零電流開通。在這一模式中有

⑤模式5:［t4～t5］如圖3(e)所示。t4時刻，當iLr諧振下降到零時，即流過主開關管S1的電流大于ILm時，輔助開關管的反并聯二極管DS2導通，Lr與Cr發生反向諧振，iLr從零諧振到負的最大值再回到零，VCr由VCrmax變為－VCrmax。在DS2導通期間的任何時刻關斷輔助開關管S2均可實現輔助開關管S2零電壓零電流關斷。模式5的工作時間t45為

⑥模式6:［t5～t6］如圖3(f)所示。t5時刻，當反向諧振電流iLr為零時，DS2零電流關斷，主開關管S1的電流為濾波電感Lm的電流ILm，Cr的電壓VCr保持－VCrmax不變，電路恢復到傳統的 PWM工作狀態

⑦模式7:［t6～t7］如圖3(g)所示。t6時刻，主開關管S1關斷，CS的電壓VCs從零開始線性上升，S1為ZVS關斷。在這一模式中有

當CS的電壓VCs=Vo－VCrmax時，這個時間段結束。模式7的工作時間t67為

⑧模式8:［t7～t8］如圖3(h)所示。t7時刻，VCs=Vo－ VCrmax，D2導通，Lm的電流 ILm通過 Cr、D2流向負載，VCs繼續上升，Cr開始下降，在這一模式中有

當CS的電壓VCS上升到輸出電壓Vo，即Cr的電壓VCr下降到零時，這個時間段結束。模式8的工作時間t78為

⑨模式9:［t8～t9］如圖3(i)所示。t8時刻，CS的電壓VCs下降到輸出電壓Vo時，即Cr的電壓VCr下降到零時，D2關斷，輸出整流二極管D1開通，電路又回到傳統的PWM工作狀態。t9時刻，輔助開關管S2開通，電路又重復上一個周期的工作。

2 軟開關條件分析

2.1 主開關S1軟開關條件分析

要實現主開關管S1的零電壓零電流開通，關鍵在于模式1、模式2和模式3。模式1實現了輸出整流二極管D1的零電流軟關斷，而D1的關斷又為Lr與Cr、Cs的諧振創造了條件。在模式2，要實現S1零電壓零電流開通必須保證VC1在S1開通之前從Vo諧振到零并在DS1導通模式3期間接通S1，需要滿足以下條件，即

式中:tS1on為輔助開關管S2開通時刻到主開關管S1開通時刻的延遲時間。

要實現主開關管S1的ZVS關斷需要滿足下面條件，即

式中:tS1off為輔助開關管S2開通時刻到主開關管S1關斷時刻的延遲時間。

2.2 輔助開關管S2的軟開關條件分析

要實現輔助開關管S2的零電壓零電流關斷，必須在S2的反并聯二極管DS2導通期間關斷S2，即需要滿足下面條件，即

式中:tS2off為輔助開關管S2脈沖寬度。

要實現輔助開關管S2的零電流開通，關鍵在于模式7和模式8，需滿足下面條件，即

式中:tS2on為主開關管S1關斷時刻到輔助開關管S2開通時刻的延遲時間。

3 有源諧振網絡參數的設計

在設計諧振網絡參數時，輸入電壓VS=200 V，輸出電壓Vo=400 V，輸出最大容量Pmax=3 kW，輸出容量范圍Po=0.78 kW～3 kW，輸入濾波電感Lm=(1.024 μH，0.4 Ω)，輸出側平滑電容 Co=8 200 μF。

圖4為利用上述參數，在輸出容量Po=3 kW時的硬開關電路的輸入濾波電感ILm電流的仿真波形。從圖中可知ILm電流的最大值ILm－max=16.7 A，ILm電流的最小值ILm－min=11.7 A，占空比D=0.48。

1)諧振電容CS

2)諧振電感Lr和主諧振電容Cr

輔助開關S2零電流開通后，有源輔助諧振回路開始工作(模式1～模式5)。在確定Lr和Cr時要綜合考慮以下7點:①輔助回路的全部工作時間(模式1～模式5的工作時間);②輔助開關管S2開通時的di/dt(模式1);③主開關管S1開通時的dV/dt(模式2);④二極管D2的最大電壓(諧振電壓+輸出電壓);⑤諧振電感電流iLr的最大值;⑥諧振電感電流iLr的最小值;⑦二極管D2的殘存電壓(模式6)。

圖4 輸出容量3 kW時的ILm電流波形Fig.4 Lmcurrent waveforms under Po=3 kW

4 實驗結果及特性評價

基于上述電路拓撲和分析，制作了一臺16 kHz、3 kW IGBT原理樣機。輸入電壓VS=200 V，輸出電壓Vo=380 V，輸出容量范圍Po=1～3 kW，開關管S1、輔助開關管S2采用三菱CM75DU－24H模塊，輸出D1采用高效率高速整流二極管(東芝30JL2C41)，D2采用高耐壓超高速軟恢復二極管(日立DFM30F12)，輸入濾波電感Lm=1.024 mH，諧振電感Lr=7.6 μH(日本IPEC HD3729－0808R)，諧振電容Cr=121 nF(日本指月電機MIC－ST)，諧振緩沖電容CS=33 nF(日本Nichicon XD)，輸出平滑電容 Co=8 200 μF(電解電容)。

4.1 開關管和二極管的波形評價

圖5(a)、(b)、(c)分別是在輸出容量3kW時，主開關管S1、輔助開關管S2和輸出整流二極管D1開通、關斷時的電壓與電流的實驗波形。從波形中可以看到主開關管和輸出整流二極管沒有電壓和電流尖峰，并且di/dt，dV/dt小，減小了開關管的電壓和電流應力，S1為零電壓零電流開通、零電壓關斷，S2為零電壓零電流關斷、零電流開通，Do為ZVS開通、ZCS關斷。實驗結果與前面的關斷時刻t6，若S1關斷時的的理論分析結果相一致。

圖5 輸出容量Po=3 kW時的實驗波形Fig.5 Experimental waveforms under Po=3 kW

從圖5(c)可知，輔助開關管S2關斷時，其電壓發生高頻震蕩現象，為了抑制S2關斷時電壓高頻震蕩現象，在原回路中插入箝位二極管DC，如圖6所示。當S2的電壓高于輸出電壓380 V時，箝位二極管DC開通，可有效地抑制S2關斷時的震蕩峰值電壓。圖7為插入箝位二極管DC后的S2開通與關斷時的電壓、電流波形。比較圖5(c)和圖7可知，沒有插入箝位二極管DC時的S2峰值電壓可達900 V高電壓，相反插入箝位二極管DC時的S2峰值電壓被抑制在輸出電壓380 V，可有效地抑制輔助開關管開S2關斷時的電力損失。

圖6 帶箝位二極管DC的新型有源輔助諧振變換器Fig.6 New Active Assisted Resonant Converter with insertion clamping diode DC

圖7 帶箝位二極管DC時的S2開通、關斷時的波形Fig.7 Switch S2waveforms and state plane when insertion clamping diode DC

4.2 效率特性評價

圖9給出了相對于實驗樣機輸出容量Po的帶箝位二極管、不帶帶箝位二極管的軟開關變換器和硬開關變換器(開關管S1的漏源加RC吸收)的綜合實測效率特性曲線圖。可以看出在很寬的輸出負載范圍內，本軟開關變換器可獲得較高的效率，并且帶箝位二極管的變換效率較高，在額定輸出容量(3 kW)時的效率為97.8%。該變換器在高輸出容量范圍內具有很高的電力變換效率特性。

圖8 效率曲線Fig.8 The curve of efficiency

5 結論

本文構造了一種新型有源輔助諧振換流軟開關變換器電路拓撲，詳細分析了該變換器的工作原理，給出了軟開關實現條件和諧振網絡的參數設計。通過理論分析和在3 kW原理樣機的實驗研究得出如下結論:1)通過采用簡單的有源輔助諧振網絡實現了開關管的軟開關，消除了電壓和電流交疊現象、降低了開關損耗;2)di/dt，dV/dt小，減小了開關管的電壓和電流應力，同時也解決了硬開關PWM變換器引起的EMI問題、輸出整流二極管的反向恢復問題;3)在很寬的負載范圍內，零電流、零電壓開關條件均可以得到保證;4)在3 kW原理樣機上得到97.8%的實測高效率。該電路適宜大中功率的軟開關變換器。

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LIN Guoqing.A novel zero-voltage and zero-current transition DC-DC converters［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27(22):106－109.

(編輯:于智龍)

A novel active soft switching converter

CHU En-hui， YE Shu-ren， WANG Ao-yu
(College of Information Science＆ Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

In order to realize a simple topology，high efficiency and frequency，low voltage stress，easily controlled soft switching boost converter，a novel soft switching converter with active assisted resonant commutation is presented in the paper.Soft switching of the main switch and auxiliary switching can be achieved by using active assisted resonant network.The proposed converter has such advantages as zero-voltage and zero-current turn-on and zero-voltage turn-off for the main switch without increasing voltage and current stress，zero-voltage and zero-current turn-off and zero-current turn-on for auxiliary switching.It is very attractive for high power application where insulated gate bipolar transistor(IGBT)is predominantly used as the power switch.Its operation principle was analyzed through its application to the boost converter.The condition of soft switching and the design considerations were analyzed in detail.The novel soft switching cell can be also used in other basic DC-DC converter.A 3kW-16kHz prototype which used IGBT was made.The effectiveness of the proposed converter is confirmed by the simulation and experimental results.

assisted resonant commutation;active DC-DC converter;soft switching

TM 464

A

1007－449X(2011)05－0072－06

2009－05－05

教育部歸國留學人員科研啟動基金;中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(N100404015);國家自然科學基金(60974141)

褚恩輝(1966—)，男，博士，副教授，研究方向為先進電力電子及應用，高頻軟開關電力變換系統及控制方式，先進電機控制方式;

葉樹仁(1983—)，男，碩士研究生，研究方向為軟開關功率變換器拓撲;

王遨宇(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為軟開關功率變換器拓撲。