新型ZVS型Buck的ZVSQRC的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、.圖 XXX表示需要實(shí)際仿真后需要替換的項(xiàng)目，放在在這里僅僅為了做例子公式表示未經(jīng)過(guò)仿真所計(jì)算的電路數(shù)據(jù)，仿真時(shí)可根據(jù)需要自行修改數(shù)據(jù)1、引言為減小 DC DC 變換器尺寸和損耗 ，必須提高變換器開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率的提高會(huì)直接提高開關(guān)損耗 引入軟開關(guān)技術(shù)可解決這個(gè)矛盾.這里主要研究Buck 變換器的軟開關(guān)電路，并通過(guò)仿真尋找軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。課本提出一些軟開關(guān)技術(shù)。但均存在不足 。這里提出一種改進(jìn) ZVS QRC Buck 變換器 。 可有效降低器件電壓應(yīng)力。為適應(yīng)諧振過(guò)程還需設(shè)置一定死區(qū) 。2、 ZVS 型 Buck 準(zhǔn)諧振電路2.1、電路結(jié)構(gòu)圖 1 為 ZVS-Buck-QRC 電路結(jié)構(gòu)

2、 。.專業(yè)資料 .圖 1 ZVS-Buck-QRC 電路結(jié)構(gòu)U in 為直流輸入電源；開關(guān)管 V1 、續(xù)流二極管VD 、輸出濾電感L f 、輸出濾波電容C f 和負(fù)載 R 構(gòu)成基本 Buck 電路 ；反并聯(lián)二極管 VD1 、諧振電容 Cr 和諧振電感 Lr ，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ，當(dāng) V1 為關(guān)斷狀態(tài)時(shí) ， Cr 、 Lr 串聯(lián)諧振 ，使 V1 實(shí)現(xiàn) ZVS 開通 ；當(dāng) V1 為開通狀態(tài)即將關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)電容Cr 可有效抑制 V1 兩端電壓上升速度，降低關(guān)斷損耗，抑制電壓尖峰。2.2 軟開關(guān)工作條件V1 工作在ZVS 開通狀態(tài) ，則必須在 Cr 兩端電壓 uCr 已為零而 Lr 上電流 i

3、 Lr 還未衰減到零的時(shí)段內(nèi)向 V1 發(fā)送開通信號(hào) 。 V1 從上個(gè)周期關(guān)斷到這個(gè)周期開通的時(shí)間間隔（即關(guān)斷時(shí)間 ）可表示為 ：Toff Tg (1 D )（ 1）.專業(yè)資料 .式中 ： D 為 V1 門級(jí)脈沖的占空比。諧振周期 Tr2Cr Lr 。即要實(shí)現(xiàn) V1 的 ZVS 開啟，需滿足 ：TrToffTr（ 2）22.3、電路參數(shù)設(shè)計(jì)U in 為 2.93.1V ，額定 3V ；輸出直流電壓 U 0為 0.40.45V ；額定功率 P0 =280W ；開關(guān)頻率 f g =500kHz 。為減小輸出電流 、電壓紋波 ，選取 L f =400H， C f =500H。f g 通常取 0.150

4、.65即可 ，為計(jì)算方便 ，取f g =0.2 。frf r則諧振角頻率為 ：1（ 3）2 f r 10 f g =1.57x10 7 rad s-1Lr Cr22諧 振 時(shí) Lr和 Cr 儲(chǔ) 能 相 等 ， 即Lr i LrCr iCr， 由uCr2U in 可 得22LrU in2U 0 =450 。CrI 0I 0用此式除以式 （ 3 ）可得 Lr=131.43 H ，仿真中取150H ；C r= 4.51 nF ，仿真中取 4.6nF。2.4、仿真結(jié)果圖 2a 為 ZVS-Buck-QRC 仿真結(jié)果 。通過(guò)諧振作用降到零后導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn) ZVS 開通 ，與理論分析完全相符。圖 2b 為 Z

5、VS-Buck-QRC與傳統(tǒng)Buck 電路效率曲線?？梢姡?ZVS-Buck-QRC較傳統(tǒng)Buck.專業(yè)資料 .變換器在低負(fù)載時(shí)效率平均提高約7%。圖 2a 與 2bZVS-Buck-QRC 電路通過(guò)諧振實(shí)現(xiàn)了ZVS，但 ZVS 只能在一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即 D 只能在特定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)， ZVS 狀態(tài)下輸入電壓只能在小范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)諧振參數(shù)時(shí)需預(yù)先知道電路大概工作的占空比范圍，此外 ，在諧振過(guò)程中將會(huì)提升至數(shù)倍以上的，增加了開關(guān)器件的耐壓要求，這兩個(gè)缺點(diǎn)極大限制了此電路的實(shí)用性。.專業(yè)資料 .3 改進(jìn) ZVS 型 Buck 變換器3.1電路結(jié)構(gòu)圖 3 表示改進(jìn)ZVS 型 Buck 變換器

6、電路 。相比圖1 電路 ，改進(jìn) ZVS 型 Buck 變換器電路添加了輔助開關(guān)及其反并聯(lián)二極管、電容。與互補(bǔ)開通 。3.2電路工作流程分析為簡(jiǎn)化分析 ，作如下假設(shè) ：電路已工作穩(wěn)態(tài)；C f 足夠大 。 即一個(gè)開關(guān)周期Tg 內(nèi)認(rèn)為輸出電壓恒為U 0 ；Lr 與 L f 相比很小 ， Cr 與 C c 相比很小 ；.專業(yè)資料 .穩(wěn)態(tài)工作時(shí) Cc 兩端電壓恒為 U Cc 。電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 ，在一個(gè) Tg 內(nèi)可分為8 個(gè)狀態(tài) 。選取 V1 關(guān)斷時(shí)刻為分析起始點(diǎn)模態(tài)0。模態(tài)1（ t0 t1 ） t0時(shí)刻前 V1 導(dǎo)通， V2 和 VD 關(guān)斷 ，電源通過(guò) Lr , L f向負(fù)載供電 。 t 0 時(shí)刻關(guān)斷，

7、 Cr、 Lr開始諧振 ， VD 導(dǎo)通 ， L f 兩端承受反向輸出電壓， i Lf 線性下降 。diLfU 0, uCrU in U Cc 。 由于 uCr 不能突變 ， uCr 從零開始上升 ，上升至 U inU CcdtL f時(shí)，Lr 兩端電壓 uLr下降到 - U Cc ， VD 2 導(dǎo)通 。 此時(shí) uCr 被限制在 U inU Cc ，模態(tài)1 結(jié)束。模態(tài)2（ t1 t2 ）t1 時(shí)刻 VD 2 導(dǎo)通 ， uLrU Cc ， i Lr 線性下降 。 直到 t2 時(shí)刻 iLr 下降到零 。 di LrU Cc , 可 得 U Cci Lr Lr ， 又 由 于 i LrI0，代入上式可得

8、dtLrt2t1U CcI 0 Lr。 由于 iLr 下降過(guò)程中 VD2導(dǎo)通 ，故在模態(tài) 2 中某時(shí)刻向 V2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)可使t2 t1V2 實(shí)現(xiàn) ZVS 開通 。 RL 和 VD 形成回路 。模態(tài) 3（ t 2 t3 ）t2時(shí)刻 ， i Lr 過(guò)零 。 由于在模態(tài) 2 中已向 V2發(fā)送觸發(fā)信號(hào) ， V2 在 t 2時(shí)刻正式導(dǎo)通 ， Lr 仍承受 - U Cc ， i Lr 反向線性增大 ， di LrU Cc，到 t3 時(shí)刻 iLr 達(dá)到反向峰dtLr值 I m in 。模態(tài) 4（ t3 t 4 ）t3時(shí)刻 V2 關(guān)斷 ，由于電感電流不能突變， iLr 通過(guò) Cr ，即 Cr 、 Lr開始

9、諧 振 。 這 時(shí) ， 只 要 死 區(qū) 足 夠 大 ， 且 Lr 中 儲(chǔ) 存 的 能 量 大 于 Cr 中 儲(chǔ) 存 的 能 量 ， 即Lr I min2Cr uCr2。 設(shè) t4 時(shí)刻 C r 中儲(chǔ)存的能量完全釋放， uCr 降到22， uCr 就可以降到零零。模態(tài) 5（ t 4 t5 ） t 4 時(shí)刻 uCr 降到零 ， 由于 Lr I min2Cr uCr2可知此時(shí)電感電流還沒(méi)22.專業(yè)資料 .有過(guò)零 ，由于電感電流不能突變， VD1 導(dǎo)通 ， V1兩端電壓uV1 僅為 VD1 的導(dǎo)通壓降 ，在此模態(tài)內(nèi)向 V1 發(fā)送開通信號(hào)可實(shí)現(xiàn)ZVS 開通 。 uLr 恒為 U in， i Lr 線性下

10、降 ， di LrU in。 t5dtLr時(shí)刻 iLr 可繼續(xù)正向增大 。模態(tài) 6（ t5 t 6 ）t5 時(shí)刻， V1 導(dǎo)通 ， i Lr 線性上升 ， t6 時(shí)刻 iLr = iLf，VD 關(guān)斷 。模態(tài) 7（ t6 t 7 ）電源通過(guò) Lr 、 L f 向 R 供電 ， i Lr 線性上升 ， di LrU inU 0。dtLrL f直到 t7 時(shí)刻 V1 關(guān)斷，開始一個(gè)新周期。在模態(tài)5 中，雖然 V1 有觸發(fā)脈沖 ，但由于 i Lr 仍為負(fù)值 ， V1 不能立刻導(dǎo)通，要等到 iLr 過(guò)零后才能實(shí)現(xiàn)D i Lr 到 V1 的換流 。 即 V1 實(shí)際的導(dǎo)通時(shí)刻與觸發(fā)脈沖發(fā)送時(shí)刻不同，存在一個(gè)

11、占空比損失的現(xiàn)象。由上述分析可得電路在一個(gè)周期的工作波形如圖4 所示 。由式 （ 2）與模態(tài) 1 可知死區(qū)時(shí)間大于Tr 的一半 ，即 TDTr 。2圖 4 流程分析圖若希望 V1 工作在 ZVS 開通狀態(tài) ，則必須在 uCr 已為零而 i Lr 還未衰減到零的時(shí)段內(nèi)向V1 發(fā)送開通信號(hào)。 同時(shí) 。 由于存在占空比損失，故實(shí)際占空比應(yīng)該大于理論占空比， 即.專業(yè)資料 .D U in 。U 04 仿真及實(shí)驗(yàn)4.1電路參數(shù)設(shè)計(jì)及諧振回路參數(shù)選擇U in=3V ， U 0 =0.425V ， P0 =30W ， 開關(guān)頻率f g=500kHz。 V1 承受電壓應(yīng)力不高于900V 。 L f =400 H

12、 , C f =500F 。負(fù)載電流 I 00.227A （ 80%U 00.14 。P0）。 DU in為盡量提高 D 可調(diào)范圍 ，死區(qū)不能太寬 ， TD7%Ts ；由 TDTr可得 Tr 1.4s ，22r=4.49x10 6rad s-1 .由 Lr I min2Cr uCr2可得 uCrLr I min；由 uCcU inU Cc 可知 ，22Cr為控制 V1 電壓應(yīng)力不超過(guò)900V ， U Cc=1.14V ； 同時(shí) U CcI 0 Lr 可知 U Cc 與 I 0 Lr 成正t2t1比 ， 將 U Cc =1.14V ， I 0=0.227A帶 入 可 得 Lr22 H .代入1r

13、可 得Cr L rCr2.25 F （實(shí)際計(jì)算值為0.00225F ，仿真者請(qǐng)慎重仿真）。4.2仿真結(jié)果圖 5a 與 5b圖 5 為提出變換器仿真與負(fù)載電流波形。由圖 5a 可見， uV1 被成功限制在900V 以下 。 V2 關(guān).專業(yè)資料 .斷后通過(guò)諧振作用下降到零， V1 實(shí)現(xiàn) ZVS 開通 。 此外 ，死區(qū)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，倘若死區(qū)太小Cr 沒(méi)有完全放電 ，不能實(shí)現(xiàn)ZVS 開通 ；死區(qū)過(guò)大 ， i Lr 過(guò)零 ， Cr 重新充電 ，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS。 由于使用了軟開關(guān)技術(shù)， fg 可取很高 ，這里開關(guān)頻率 f g =500kHz，圖 5b 為 I 0 波形。 很明顯由于提高 ，輸出電流波紋明顯

14、降低 。 這樣 ，在同樣波紋要求下， L f 和 C f 取值可以很小 ，有效降低了裝置的整體體積 。5 結(jié)論設(shè)計(jì)提出的一種改進(jìn)型ZVS 型 Buck 電路，仿真及實(shí)驗(yàn)證明該電路降低了器件電壓要求，而且?guī)лd效果良好，有效降低了濾波器要求。參考文獻(xiàn)【l】陳剛 軟開關(guān)雙向DC DC 變換器的研究 D 】杭州 ：浙江大學(xué) 2001 【2 】胡平 ，謝順依 ，楊迎化 ，等 新型ZVS 全橋DC DC 變換器 J】電力自動(dòng)化設(shè)備，2010 ， 30(2) ：103 105 【3 】楊德剛 ，趙良炳 軟開關(guān)技術(shù)回顧與展望【J】電力電子技術(shù)， 1998 ， 32(2) ： 96 101 【4 】CMudioMC Duarte ， VitorMauroFiori A NewZVS PWMActive-clampingBuck-Boost ConverterA Power Electronics Specialists ConferenceC2005 ： 1429 1433 【5 】秦嶺 ，謝少軍 ，周暉 一種新型ZCS PWMBuck變換器研究【J】電力電子技術(shù)，.專業(yè)資料 .2007 ， 41(2) ：1