1 引 言

與功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)相比，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有更高的耐壓值、更大的能量密度和較低的開(kāi)通損耗，因此己廣泛用于高壓、大功率場(chǎng)合。然而，IGBT的開(kāi)關(guān)速度較慢，而且關(guān)斷時(shí)還存在電流拖尾現(xiàn)象，因而會(huì)導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗。解決這兩個(gè)問(wèn)題的有效措施是實(shí)現(xiàn)IGBT的零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。為此，近幾年已陸續(xù)提出了多種ZCS脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulated，簡(jiǎn)稱PWM)技術(shù)方案[1-3]。例如，文獻(xiàn)[2，3]雖能實(shí)現(xiàn)所有有源開(kāi)關(guān)器件的ZCS，但主開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力很大，它將顯著增加導(dǎo)通損耗。這一問(wèn)題在文獻(xiàn)[4]中得到解決，但輔助開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力也很大。而且由于兩個(gè)諧振電感分別與主開(kāi)關(guān)管、輔助開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，所以損耗較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了有效解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]提出并研究了基于一種新型ZCS PWM開(kāi)關(guān)單元的Boost變換器。在此基礎(chǔ)上研究了基于該新型ZCS PWM開(kāi)關(guān)單元的Buck變換器。它在傳統(tǒng)Buck電路的基礎(chǔ)上增加了一條諧振支路和一條由輔助開(kāi)關(guān)管與二極管串聯(lián)而成的輔助支路。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)。該新型ZCS PWM Buck變換器的主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管均工作在ZCS狀態(tài)，所有無(wú)源開(kāi)關(guān)器件均工作在ZVS狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗為零。此外，該變換器的諧振電感不再與主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，使得損耗明顯減小，因此適用于所有使用IGBT的大功率場(chǎng)合。在此。分析了該變換器的工作原理，并通過(guò)一臺(tái)300W，30kHz樣機(jī)驗(yàn)證了該電路的可行性。

2 工作原理

2.1 主電路拓?fù)?/p>

圖1示出新型ZCS PWM Buck變換器。它由主開(kāi)關(guān)管VS1、輔助開(kāi)關(guān)管VS2、3個(gè)二極管VD1～VD3、兩個(gè)諧振電感Lr1,Lr2及一個(gè)諧振電容Cr組成。VS1起到將能量傳輸?shù)截?fù)載的作用;通過(guò)VS2傳輸?shù)哪芰空伎傌?fù)載能量的比例很小，流過(guò)它的電流平均值也很小。

2.2 工作模態(tài)的分析

為便于分析新型ZCS PWM Buck變換器的工作原理，首先假設(shè)：①變換器工作已達(dá)到穩(wěn)態(tài);②所有功率電子器件均為理想器件;③電感、電容均為理想儲(chǔ)能元件;④輸入電壓Uin恒定;⑤輸出濾波電感Lo足夠大，使得流過(guò)L。的電流iLo可視為恒流Io。這樣，Lo，Co及負(fù)載電阻RL也可看成是一個(gè)電流值為Io的恒流源;⑥諧振電感遠(yuǎn)小于Lo，即Lr1<

(1)模態(tài)1[t0～t1]該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2a。在t0時(shí)刻前，VS1和VS2都處于關(guān)斷狀態(tài)，Lo上的電流Io通過(guò)VD2，Lr2，VD1和Lr1續(xù)流。此時(shí)，流過(guò)諧振電感的電流為恒流，所以其端電壓均為零，Cr上的端電壓uCr也為零。VS1和VS2承受的電壓均為Uin。

在t0時(shí)刻，VS1開(kāi)通，加在Lr1，Lr2上的電壓為Uin，其電流從Io開(kāi)始線性下降，而流過(guò)VS1的電流iVS1，開(kāi)始從零線性上升，所以VS1為零電流開(kāi)通。

(2)模態(tài)2[t1～t2]該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2b。在該階段，VS1繼續(xù)維持導(dǎo)通，此時(shí)：

模態(tài)2的持續(xù)時(shí)間為△t2=t2-t1=DTs-Δt1(D為占空比，Ts為開(kāi)關(guān)周期)。

(3)模態(tài)3[t2-t3] 該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2c。在t2時(shí)刻，VS2開(kāi)通，此時(shí)uVD1(t)=0，Lr1和Cr將通過(guò)Uin和VS2發(fā)生串聯(lián)諧振，流經(jīng)VS2的電流iVS2將由零逐漸上升，所以VS2為零電流開(kāi)通。

(4)模態(tài)4[t3～t4]該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2d。由于VS2已經(jīng)關(guān)斷，故Lr1，Lr2和Cr將通過(guò)VD1，VD2，VS1和Uin發(fā)生串聯(lián)諧振。

(5)模態(tài)5[t4-t5] 該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2e。Lr1，Lr2和Cr將通過(guò)VS1的反并二極管繼續(xù)諧振。[!--empirenews.page--]

(6)模態(tài)6[t5-t6]該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2f。此時(shí)，Lr1，Lr2和Cr只與電流源串聯(lián)，導(dǎo)致Cr線性放電，諧振結(jié)束。

iLr1(t)=iLr2(t)=Io 　　(11)

(7)模態(tài)7[t6～t7]該模態(tài)的等效電路見(jiàn)圖2g。在該模態(tài)中，Io經(jīng)過(guò)VD1，VD2續(xù)流。在t7時(shí)刻，零電流開(kāi)通VS1，開(kāi)始下一個(gè)周期。

由上述分析可得變換器在一個(gè)周期的工作波形，圖3示出新型ZCS PWM Buck變換器在一個(gè)周期內(nèi)的主要波形。由圖3可見(jiàn)，要確保其在不過(guò)載的情況下也能實(shí)現(xiàn)ZCS軟開(kāi)關(guān)，唯一的條件是

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)Saber仿真軟件對(duì)新型ZCS PWM Buck變換器進(jìn)行了仿真分析。參數(shù)設(shè)置：輸入電壓Uin=100V。額定輸出電壓Uo=60V，額定輸出功率Po=300W，開(kāi)關(guān)頻率fs=30kHz，Lr1=Lr2=6μH，Cr=100nF，Lo=1mH，濾波電容Co=470μH,為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)的VS1和VS2選用G25N120;VD1—VD3選用HFA25TB60。

圖4示出滿載時(shí)和10%負(fù)載時(shí)VS1和VS2上的電流iVS1和ivsz及電壓uvs1和uVS2實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見(jiàn)，VS1和VS2都實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。由于該樣機(jī)是以額定電流的10%作為臨界連續(xù)電流而設(shè)計(jì)的。當(dāng)負(fù)載小于額定負(fù)載的10%時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入了電流斷續(xù)狀態(tài)，功率器件也實(shí)現(xiàn)了ZCS。因此，該變換器能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS。

4 結(jié)論

研究了一種新型ZCS PWM Buck變換器，分析了該變換器的工作原理。它具有下述優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用器件數(shù)量少;②所有的有源開(kāi)關(guān)器件都是ZCS，所有的無(wú)源開(kāi)關(guān)器件都是ZVS。所以沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗：③變換器能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

該新型ZCS PWM Buck變換器適用于功率器件采用IGBT的高壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。