第32卷第6期 1998年6月
上海交通大学学报
JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY
Vol.32No.6
Jun.1998
一种高效PWM变换电路的研究
李卫平, 张秀彬
(上海交通大学信息与控制工程系)
摘 要 PWM(Pulse2Width2Modulation)变换电路中,可控开关在每次通断过程中要承受高的开关压力与高的开关损耗,而且该功耗会随着PWM开关频率的增加而线性地增加.减小开关损耗最有效、最直接的方法是采用软开关技术.文中提出了一种最新的电路拓扑结构,采用综合零电压技术与零电流技术的软开关技术,应用于升压式PWM变换电路,使PWM变换电路的开关,既能在零电压下实现开通,又能在零电流下实现关断,从而大大减小开关损耗,可显著地提高电能转换效率.同时提出了一种实用的控制电路,不仅电路结构简单,而且容易保证三路开关信号的时序关系(输入一路波形,同时输出三路波形,控制三个开关管).输出波形完全能反映输入波形的变化.该设计思想对PWM变换电路的进一步研究有着积极的意义.关键词 零电压技术;零电流技术;PWM变换中图法分类号 TM4
InvestigationonHigh2EfficiencyPWMConverters
LiWeiping, ZhangXiubin
DepartmentofInformationandControlEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,China
Abstract Thesoft2switchingtechniqueisamosteffectiveanddirectmethodtodecreasetheswitching
.Thispaperpresentsanovelsoft2switchingtopologyandproposesacontrolmethodcom2powerlosses
biningbothzero2voltage2transitionandzero2current2transitiontechniquesinthecircuit.Theconvertercanreallyachievethezero2voltageswitchingonandzero2currentswitchingoffforalltheswitchingtransistorssoastodecreasetheswitchinglossesandincreasetheefficiencyofthecircuitmarkedly.Ausefulcontrolcircuitisalsoadvancedinthepaper,whichhasasimplestructureandcaneasilyassure.Andthreeoutputwavesisfromoneinputwaveonlythesequenceintimeonthreeswitchingsignals.Theoutputwavescanchangejustthesameastheinputwave.Asatocontrolthreeswitchtubes
newdesignidea,thistechniquewillplayapositiveroleinthefuturestudyontheconvertcircuitwithPWM.
Keywords zero2voltagetechnique;zero2currenttechnique;pulse2width2modulation(PWM)con2
verters
PWM(Pulse2Width2Modulation)变换电路中,可控开关均运行于开关模式,在每次通断中,开关要
承受高的开关压力与高的开关损耗,而且该功耗会随着PWM开关频率的增加而线性地增加,从而
开关频率的提高.为了减轻变流器的尺寸与重量、提高功率密度,要求在提高开关频率的同时,尽量减小开关损耗.目前,减小开关损耗最有效、最直接的方法是采用软开关技术.即利用附加的谐振元件,使电路发生谐振,实现开关的零电压导通或零电流关断,从而达到减小开关损耗的目的.
收稿日期:1997204225
李卫平:男,1973年生,硕士生.邮编:200240
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李卫平,等:一种高效PWM变换电路的研究
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近几年来,软开关技术的研究成果层出不穷.但是,这些软开关只能实现零电压开通,即零电压软开关技术(Zero2Voltage2Transition,ZVT);或只能实现零电流关断,即零电流软开关技术(Zero2Current2
.本文研究一种Transition,ZCT).能在零电压开通的同时也能实现零电流关断的开关元件尚未见报道
综合零电压技术和零电流技术的软开关技术在PWM变换电路中的实现,并提出了一种实用控制电路.
1 电路的工作原理
图1为升压式PWM变换电路的主电路.它与传统的PWM变换电路的主要区别就是增加了两个
谐振支路,主谐振支路由谐振电感Lr、谐振电容Cr和辅助开关Sl组成,这个谐振支路仅在主开关的开通和关断瞬间起作用,为主开关的开通和关断提供零电压和零电流条件.辅谐振支路由电感Lf、电容Cf1和Cf2、辅助开关S2组成,这个谐振支路为主谐振支路的谐振提供必要条件.两谐振支路通过两个二极管Df1和Dr联结在一起.在分析过程中,由于升压电感Li和滤波电容CL很大,可认为在开关周期中升压电感中电流保持不变,其值等于输入电流Ii;滤波电容中电压保持不变,其值等于输出电压Uo.在电路达到稳态时,一个开关周期可分为10个工作模式,主要工作波形如图2所示.
图1 升压式PWM变换电路的主电路
Fig.1 MaincircuitofBoostpwm
图2 主要工作波形
Fig.2 Operationalwaveforms
图3 等效电路图
Fig.3 Equivalentcircuits
各时段的等效电路参见于图3.
(a)t0～t1:在t0之前,主开关S0和辅助开关S1都处于截止状态,整流二极管Df1处于导通状态.在t0时刻导通S1,Lr和Cr发生谐振.当Lr的电流从零增加到Ii时,Df1被零电流关断.
(b)t1～t2:Df1被关断后,CS与Cr、Lr一起谐振,电容CS上的能量转移到Lr,Lr的电流进一步增加,
.CS两端电压减小,在t2时刻,CS谐振放电到零
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(c)t2～t3:CS谐振放电到零后,S0体内的反向恢复二极管开始导通,Cr的能量继续转移给Lr,直到.接着Lr和Cr继续谐振,Lr将能量转移给Cr,Cr端电压改变Cr的电压为零,电感Lr中的电流达到最大
极性,在t3时刻,电感Lr的电流谐振到零,Cr的正向电压最大.在这段时期内可开通S0,此时主开关属于零电压开通.(d)t3～t4:在t3时刻可关断S1,此时为零电流关断.S1关断后,通过S1体内的反向恢复二极管的续流,Lr和Cr继续谐振,Cr反向电压增大,在t4时刻,谐振电流为零,S1体内二极管自然零电流关断,谐振结束,电容Cr两端电压反向达到最大.(e)t4～t5:在S1体内二极管关断后,Cr端电压保持不变,此时电路重建PWM工作方式.(f)t5～t6:在t5时刻,开通辅助开关S1,Lr和Cr发生谐振,这个谐振迫使主开关管S0中的电流按正弦的方式减小,当谐振电流上升到等于输入电流Ii,即主管的电流为零时,关断S0,此时主管属于零电流关断.
(g)t6～t7:Lr和Cr继续谐振,电感Lr的能量转移给Cr,当电感Lr的电流减小到零时,关断辅助开
关S1,此时S1属于零电流关断.(h)t7～t8:S1关断后,二极管Df1导通,Cf1两端电压由于Cf1和Lf的谐振逐渐降低,在Cf1两端电压降到零后,开通辅助开关S2,此时S2属于零电压开通.(i)t8～t9:S2导通后,Lr和Cr继续谐振,Cr端电压反向上升,当谐振电流减小到零,也就是Cr端电压上升到最大时,关断辅助开关S2,此时S2属于零电流关断.Cr上的反向电压为下一个周期的谐振提供条件.(j)t9～t10:在这段时间内,二极管Df2导通,电路重建PWM工作方式.
由上述可知,这种新型的PWM升压电路的特点是:主开关管S0和辅助开关管S2都工作在真正的软开关条件下,即零电压开通和零电流关断,使开关管的开关损耗大大降低;辅助开关管S1尽管由于工作原理的需要,不可能工作在零电压开通条件下,只能工作在零电流关断条件下,但是S1在开通时,电流很小,所以因开关管开通而带来的能量损耗相对来说很小.可见本电路拓扑结构及其控制方法能够显著地提高电路的转换效率.
2 控制电路
控制电路原理框图见图4,该控制电路的主要工作波形如图5所示.图中,wi为PWM的输入波形,输出w0、.本电路通过调节RC1网络来确定辅助开关S1w1、w2分别是相应开关管S0、S1、S2的控制波形的开通时间,即主开关的软开关时间;通过调节单稳态触发器1来任意确定主开关的开通和关断时间,从而保证主开关在最佳的时刻开通和关断,实现最佳的软开关效果.
图4 控制电路框图
Fig.4 Blockdiagramoncontrolcircuit
图5 控制电路主要波形
Fig.5 Mainwaveformsatcontrolcircuit
控制电路主要波形中,模式h的时间,即辅助开关S2的开通时间可通过调节RC2网络来确定,关断时间可通过调节单稳态触发器2来确定.
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3 仿真研究
为了验证电路的可行性和实际效果,采用一个100kHz、200W、输入电压为50～100V(额定值为70V)、输出电压为150V的升压式PWM变换电路为例,用计算机仿真软件对该电路进行仿真,所得波形如图6所示.VS0、Id0分别为开关管S0漏源间的电压和电流波形,ILr(Id1)为开关管S1漏源间的电流波形,.VS2、Id2分别为开关管S2漏源间的电压和电流波形
电路元件的参数为:Ui=70V,Li=0.3mH,Cs=1nF,Lr=8ΛH,Cr=8nF,Cf1=1nF,Lf=5ΛH,Cf2=10ΛF,CL=20ΛF.主开关管S0选用IRF360,辅助开
关管S1和S2选用IRF740.
由图6可知,电路在主开关管S0的开通期间(见虚线1)、关断期间(见虚线3)很好地实现了双零软开关工作条件,如零电压开通和零电流关断;辅助开关管S1在关断期间(见虚线2和4)实现了零电流关断;辅助开关管S2在开通期间(见虚线5)、关断期间(见虚线6)也实现了双零软开关工作条件,即零电压开通和零电流关断.
图6 仿真波形
Fig.6 Waveformsfromthesimulation
4 结 论
本文对一种高效的升压式PWM变换电路作了分析研究,通过电路的计算机仿真,说明电路具有一定的可行性和良好的性能.与普通的升压式电路相比,该电路有如下特点:
(1)本电路的开关器件的开关状态转换都在双零软开关工作条件下实现,大大降低了开关损耗,提高了电路的转换效率.
(2)本电路的控制部分采用硬件实现,结构简单,能确保各个控制波形的时序关系,而且易于调整各个波形的关系,为电路能工作在最佳的开关转换状态创造条件.
(3)该电路在高频的开关电源、逆变器等电力电子电路上有很大的实用价值,可以提高电路的转换效率.而且本文提出的控制方法,不仅适用于升压式BOOST电路,在理论上,同样也适用于其他PWM变换电路,如降压式BUCK电路、.BUCK2BOOST电路和CUK电路等PWM变换电路
参考文献
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