专利名称：Zcs－pwm开关单元电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电路，尤其涉及一种应用于开关型功率变换器的ZCS-PWM开关单元电路。
背景技术：
与功率场效应管(MOSFET)相比，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)导通压降较小，额定电压和电流密度很高，所以近几年来被更多的应用于高电压大功率场合。但是，采用IGBT做开关元件的硬开关PWM变换器在高电压大功率场合下存在一些缺点(1)由于IGBT开关速度相对较慢，因此变换器的工作频率不易提高，磁性元件的体积和重量也比较大；(2)由于功率电子器件开关状态的非理想化开关行为以及电路寄生与分布参数等的作用，导致功率电子器件在开关暂态中出现硬开关效应，即在开关过渡过程中，电压波形和电流波形不仅会出现高变化率的尖峰，而且两者还有很大的交叠区。对于IGBT而言，由于其关断时存在电流拖尾现象，因此关断损耗将更大，在高频率大功率场合下变换器的工作可靠性会大大降低。
解决上述缺陷的有效方法是实现PWM变换器中所有IGBT的零电流开关(Zero-current-switching，简称ZCS)。国内外现有ZCS-PWM控制方案很多，虽然基本思路是一致的，即利用谐振元件实现电流过零，从而零电流开关的目的；通过辅助开关管打断谐振过程，实现了恒频控制，但是它们的性能还是有些区别。下面取最具代表性的几种技术方案进行分析(1)方案1辅助支路与主开关回路串联且谐振电感与功率管串联方案1提出的主电路拓扑如图1所示。当主开关管S1开通时，谐振电感Lr限制了电流的上升率，使得S1实现了零电流开通；谐振电感电流减小到零并且反向流动，S1的反并二极管D1导通，S1中的电流为零，此时关断S1，那么S1将是零电流关断。此外辅助开关管S2也是零电流开关。
(2)方案2辅助支路与主开关回路并联且谐振电感与功率管串联方案2提出的主电路拓扑如图2所示。通过谐振电感Lr1、Lr2限制主开关管S1和辅助开关管S2开通时的电流上升率，实现零电流开通；谐振电感Lr1、Lr2中电流减小到零并且反向流动时，S1、S2的反并二极管D1、D2导通，当S1、S2中的电流为零，此时关断S1、S2，那么S1、S2将是零电流关断。
(3)方案3辅助支路与主开关回路并联且谐振电感不与功率管串联方案3提出的主电路拓扑如图3所示。通过谐振电感Lr1、Lr2限制主开关管S1和辅助开关管S2开通时的电流上升率，实现零电流开通；谐振电感Lr1、Lr2中电流减小到零并且反向流动时，S1的反并二极管导通，S1中的电流为零，此时关断S1，那么S1将是零电流关断。此外辅助开关管S2也是零电流关断。
上述方案都能实现主开关管和辅助开关管的零电流开关，但是存在一些缺点方案1的缺点主开关管S1与谐振电感Lr直接串联，使得主开关管中的电流应力非常大，通态损耗较大，而且选择开关管的定额增大，使得成本增加；此外Lr直接串联在主开关回路中，通态压降很大，影响了变换器效率的提高。
方案2的缺点这种变换器的辅助支路与主开关回路并联，其工作不会增加主开关管的电压应力和电流应力，主开关管的电压应力和电流应力很小。但是谐振电感串联在主开关回路和辅助支路中，损耗较大。
方案3的缺点这种变换器的辅助支路与主开关回路并联，并且谐振电感移到续流支路中，因此主开关管的电压应力和电流应力很小而且损耗较小。但是两个谐振电感的存在使得变换器的结构不太简洁，此外辅助开关管的电压应力和电流应力很大，并且在谐振电感反向谐振阶段承受非常大的反压。
发明内容
1、发明目的本发明的目的是提供一种效率高、损耗小、结构简单、能克服上述现有技术存在的缺陷的ZCS-PWM开关单元电路。
2、技术方案为了达到上述的发明目的，实现本发明的第一种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的阴极与谐振电感连接，主开关管的发射极与辅助开关管的发射极之间设有一个主二极管；与辅助开关管的发射极连接的支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与辅助开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的正极连接。主二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助开关管的发射极连接。
实现本发明的的第二种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，主开关管的发射极连接有一条支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的负极与谐振电感连接，主开关管的发射极与辅助开关管的发射极之间设有一个主二极管，该主二极管的阳极与主开关管的发射极连接，阴极与辅助开关管的发射极连接；与主开关管的发射极连接的一条支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的阳极连接。
实现本发明的第三种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，功率回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的集电极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的阳极与谐振电感连接，主开关管和辅助开关管的集电极之间设有一个主二极管，该主二极管的阳极与主开关管的集电极连接，阴极与辅助开关管的集电极连接；与辅助开关管的集电极连接的一条支路并联有一个箝位二极管。箝位二极管的阳极与辅助开关管的集电极连接，阴极与辅助二极管的阴极连接。
本发明的电路吸收图3所示的方案3主电路拓扑的优点并进行了改进，得到一种新的ZCS-PWM开关单元电路。与现有的方案3的主电路相比，新的开关单元电路去除了一个谐振电感Lr1，使得实际工作中辅助开关管不再承受反压并且电流应力得以大大降低，并且主电路结构也得到了简化；由于二极管D1的反向恢复，其结电容与谐振电感Lr将发生串联谐振，从而会在n1点产生很大的负电位，使得主开关管和辅助开关管产生很大的电压尖峰。通过在n1和a点之间并联一个箝位二极管D3，使得n1点的电位被箝位在一个较小的负值，最终可以将主开关管和辅助开关管上的电压尖峰抑制在一个小到可以忽略的值上。
基于这种新颖的ZCS-PWM开关单元电路，可以得到一族直流变换器，如图5所示。它们都能实现所有有源开关器件的零电流开关和所有无源开关器件的零电压开关，而且实现软开关方面的原理是相同的。
3、有益效果本电路结构简洁，控制简单方便，功率器件的电压应力和电流应力均很低、效率高、电磁干扰小、工作可靠，能应用于高电压大功率场合。
四
图1是现有ZCS-PWM控制方案1提出的主电路拓扑结构示意图；图2是现有ZCS-PWM控制方案2提出的主电路拓扑结构示意图；图3是现有ZCS-PWM控制方案3提出的主电路拓扑结构示意图；图4是本发明的ZCS-PWM开关单元电路结构示意图；图5是基于ZCS-PWM开关单元电路构成的变换器结构示意图，其中，(a)Buck.(b)Boost.(c)Buck-boost.(d)Cuk.(e)Sepic.(f)Zeta；图6是基于ZCS-PWM开关单元电路的buck变换器结构示意图；图7是buck变换器各工作模态对应的等效电路；图8是本发明的ZCS-PWMbuck变换器在一个工作周期内的主要波形示意图；图9是具有箝位二极管D3时的试验波形，其中(a)为满载时iS1和vS1的波形，(b)为满载时iS2和vS2的波形，(c)为10％负载时iS1和vS1的波形，(d)为10％负载时iS2和vS2的波形100V/div，6A/div，4μs/div；图10是没有箝位二极管D3时的试验波形，其中(a)为满载时vS1和vS2的波形，(b)为10％负载时vS1和vS2的波形100V/div，4μs/div；
图11为效率曲线示意图。
五具体实施例方式
实施例1如图4、图5(a)、(d)和(f)所示，本实施例的ZCS-PWM开关单元电路包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管S1和与主开关管S1反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管S2，辅助开关管S2的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感Lr和辅助二极管D2，辅助二极管D2并联有电容Cr，辅助二极管D2的阴极与谐振电感Lr连接，主开关管S1的发射极与辅助开关管S2的发射极之间设有一个主二极管D1；与辅助开关管S2的发射极连接的支路并联有一个箝位二极管D3。箝位二极管D3的阴极与辅助开关管S2的发射极连接，阳极与辅助二极管D2的正极连接。主二极管D1的阴极与主开关管S1的发射极连接，阳极与辅助开关管S2的发射极连接。
实施例2如图(5)(c)所示，本实施例为另一种结构的ZCS-PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管S1和与主开关管S1反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管S2，主开关管S1的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感Lr和辅助二极管D2，辅助二极管D2并联有电容Cr，辅助二极管D2的负极与谐振电感Lr连接，主开关管S1的发射极与辅助开关管S2的发射极之间设有一个主二极管D1，该主二极管D1的阳极与主开关管S1的发射极连接，阴极与辅助开关管S2的发射极连接；与主开关管S1的发射极连接的一条支路并联有箝位二极管D3。箝位二极管D3的阴极与主开关管S1的发射极连接，阳极与辅助二极管D2的阳极连接。
实施例3如图5(b)和(e)所示，本实施例为另一种结构的ZCS-PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，功率回路包括主开关管S1和与主开关管S1反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管S2，辅助开关管S2的集电极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感Lr和辅助二极管D2，辅助二极管D2并联有电容Cr，辅助二极管D2的阳极与谐振电感Lr连接，主开关管S1和辅助开关管S2的集电极之间设有主二极管D1，该主二极管D1的阳极与主开关管S1的集电极连接，阴极与辅助开关管S2的集电极连接；与辅助开关管S2的集电极连接的一条支路并联有箝位二极管D3。箝位二极管D3的阳极与辅助开关管S2的集电极连接，阴极与辅助二极管D2的阴极连接。
实施例4如图6所示，本实施例为基于图5(a)所示开关单元电路的buck变换器。
假设buck变换器的工作已经处于稳态，所有有源开关器件都是理想器件，输入电压Vin恒定，n0为零电位点，输出滤波电感Lo很大使得其可视作电流源Io，谐振电感Lr远远小于输出滤波电感Lo。
基于这些假设，buck变换器在一个周期内的工作可以分为9个模态，各工作模态对应的等效电路如图7所示，下面分别予以分析。
(1)工作模态1[t0，t1](等效电路如图7(a)所示)在t0时刻之前，buck变换器处于续流阶段，输出电流Io其实是线性下降的，因此谐振电感Lr上的压降与二极管D2的导通压降之和小于箝位二极管D3的导通压降，续流电流绝大部分都流过谐振电感和二极管D2，这一现象在输出电流很大时更为明显。为了分析的方便，认为流过谐振电感的电流就是输出电流Io。在t0时刻开通主开关管S1，谐振电感Lr承受反压-Vin，流过谐振电感的电流将线性下降，流过主开关管的电流线性上升，因此在t0时刻主开关管S1是零电流开通。流过谐振电感的电流和谐振电容上的电压分别为iLr(t)=Io-VinLr(t-t0),---(1)]]>vCr(t)＝0. (2)在t1时刻，谐振电感的电流由Io下降为零，流过主开关管的电流由零上升到Io，此时二极管D1、D2为零电压关断。工作模态1的持续时间为Δt1=IoLrVin---(3)]]>(2)工作模态2[t1，t2](等效电路如图7(b)所示)在这个阶段，由于二极管D1的反向恢复，流过二极管D1的电流将由零反向增长，此时D1可以等效为它的结电容Cj。因此Cj，Lr和Cr实际上是串联在一起，而且由于Cj＜＜Cr，所以谐振电容Cr可以被忽略不计。从t1时刻开始，Cj，Lr将发生串联谐振，流过谐振电感的电流iLr(t)以及结电容上的电压vCj(t)分别为iLr(t)=VinZo1sinωr1t,]]>
vCj(t)＝Vin-Vincosωr1t (5)式中，Zo1=Lr/Cj,]]>ωr1=1/LrCj.]]>从而Vn1＝Vincosωr1t. (6)在t2时刻Vn1＝-VD3，VD3是箝位二极管D3的导通压降，此时该阶段结束。工作模态2的持续时间为Δt2=π2ωr1+1ωr1sin-1(VD3Vin).---(7)]]>(3)工作模态3[t2，t3](等效电路如图7(c)所示)在t2时刻D3导通，n1点的电位被箝在-VD3，此时Cj与Lr的串联谐振结束。Lr将与Cr发生串联谐振，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)=iLr(t2)cosωrt-VD3Zosinωrt,---(8)]]>vCr(t)＝-VD3+VD3cosωrt+iLr(t2)ωrsinωrt，(9)式中Zo=Lr/Cr,]]>ωr=1/LrCr.]]>在t3时刻iLr(t)＝0，该阶段结束。工作模态3的持续时间为Δt3=ctg-1(VD3ZoiLr(t2)).---(10)]]>(4)工作模态4[t3，t4](等效电路如图7(d)所示)在这个阶段，主开关管S1继续维持导通，流过S1的电流仍然为输出电流Io，但是辅助开关管和所有二极管均关断。流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)＝0， (11)
vCr(t)＝vCr(t3). (12)模态4的持续时间为Δt4＝DTs-Δt1-Δt2-Δt3， (13)式中D为占空比，Ts＝1/fs为开关周期，而fs为开关频率。
(5)工作模态5[t4，t5](等效电路如图7(e)所示)在t4开通辅助开关管S2，Lr将与Cr发生串联谐振，流过S2的电流iS2(t)由零逐渐上升，因此S2为零电流开通。在这个阶段流经主开关管S1的电流仍为Io，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)=-[Vin-vCr(t3)]Zosinωr(t-t4).---(14)]]>vCr(t)＝Vin-[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t4). (15)在t5时刻iS2(t)重新降为零，此时关断辅助开关管S2，因此S2为零电流关断。模态5的持续时间为Δt5=πω.---(16)]]>(6)工作模态6[t5，t6](等效电路如图7(f)所示)由于S2已经关断，因此Lr和Cr只能通过D1、S1以及Vin继续谐振。谐振电容的电压vCr(t)由最大值逐渐下降，而电感电流iLr(t)则由零反向逐渐增大。此时流经主开关管的电流iS1(t)从Io逐渐下降，并且在t6下降到零，此时模态6结束。在该模态中，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)=Vin-vCr(t3)Zosinωr(t-t5),---(17)]]>vCr(t)＝Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t5).(18)
模态6的持续时间为Δt6=1ωrsin-1[IoZoVin-vCr(t3)].---(19)]]>(7)工作模态7[t6，t7](等效电路如图7(g)所示)在t6时刻电流iS1(t)下降到零，由于IGBT不能流过反向电流，所以谐振将只能通过主开关管的反并二极管继续进行，此时关断S1。因此S1将是零电流关断。当谐振电流由Io逐渐增大到最大值，再有最大值重新降为Io时，即t7时刻，该阶段结束。在该模态中，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)=Vin-vCr(t3)Zosinωr(t-t5),---(20)]]>vCr(t)＝Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(t-t5). (21)模态7的持续时间为Δt7=πωr-2Δt6.---(22)]]>(8)工作模态8[t7，t8](等效电路如图7(h)所示)在t7时刻，谐振电流为Io，此时流过S1反并二极管的电流为零，因此S1的反并二极管为零电压关断。此后，Cr，Lr，D1和电流源是串联关系，所以流经谐振电感的电流为Io不变，谐振结束，谐振电容开始线性放电。在该模态中，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)＝Io，(23)vCr(t)=vCr(t7)-IoCr(t-t7).---(24)]]>
在t8时刻，谐振电容上的电压降为零，模态8结束。该模态的持续时间为Δt8=CrIo{Vin+[Vin-vCr(t3)]cosωr(Δt5+Δt6)}.---(25)]]>(9)工作模态9[t8，t9](等效电路如图7(i)所示)在t8时刻，谐振电容上存储的电能释放完毕，电流源通过D2、D1、Lr和续流，这个阶段一直维持到t9时刻，此时开通S1，下一个周期重新开始。在该模态中，流过谐振电感的电流iLr(t)以及谐振电容上的电压vCr(t)分别为iLr(t)＝Io，(26)vCr(t)＝0. (27)模态9的持续时间为Δt9=Ts-DTs-2πωr+Δt6-Δt8.---(28)]]>通过上面的分析，可以得出该buck变换器在一个周期的主要波形，如图8所示。可以发现，要确保该新型ZCS-PWM buck变换器在不过载的情况下都能实现ZCS软开关的唯一条件就是必须满足下列不等式Io,max≤VinZo,---(29)]]>式中，Io，max是输出电流的最大值。
根据以上分析，研制了一台基于图4所示ZCS-PWM开关单元电路的buck变换器样机，输入电压Vin＝100V，额定输出电压Vo＝60V，额定输出功率Po＝300W，开关频率fs＝30kHz，谐振电感Lr1＝Lr2＝6μH，谐振电容Cr＝100nF，滤波电感Lo＝1mH，滤波电容Co＝470μF。样机S1、S2选用G25N120，D1、D2、D3选用HFA25TB60。满载和10％负载情况下得到的实验结果如图9所示。图10所示的分别是满载和10％负载情况下没有箝位二极管D3时开关管的电压波形。变换器的效率曲线如图11所示。
以上试验波形说明了该buck变换器具有结构简洁，开关管的电压应力以及电流应力都很小，能在整个负载范围内实现软开关，变换器的效率较高，电磁干扰较小等优点。
图5所示的其他变换器实现软开关的原理与上述buck变换器是相似的。
权利要求
1.一种ZCS-PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管(S1)和与主开关管(S1)反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管(S2)，辅助开关管(S2)的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感(Lr)和辅助二极管(D2)，辅助二极管(D2)并联有电容(Cr)，辅助二极管(D2)的阴极与谐振电感(Lr)连接，其特征在于，主开关管(S1)的发射极与辅助开关管(S2)的发射极之间设有一个主二极管(D1)；与辅助开关管(S2)的发射极连接的支路并联有一个箝位二极管(D3)。
2.如权利要求1所述的ZCS-PWM开关单元电路，其特征在于，箝位二极管(D3)的阴极与辅助开关管(S2)的发射极连接，阳极与辅助二极管(D2)的正极连接。
3.如权利要求1所述的ZCS-PWM开关单元电路，其特征在于，主二极管(D1)的阴极与主开关管(S1)的发射极连接，阳极与辅助开关管(S2)的发射极连接。
4.一种ZCS-PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管(S1)和与主开关管(S1)反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管(S2)，主开关管(S1)的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感(Lr)和辅助二极管(D2)，辅助二极管(D2)并联有电容(Cr)，辅助二极管(D2)的负极与谐振电感(Lr)连接，其特征在于，主开关管(S1)的发射极与辅助开关管(S2)的发射极之间设有一个主二极管(D1)，该主二极管(D1)的阳极与主开关管(S1)的发射极连接，阴极与辅助开关管(S2)的发射极连接；与主开关管(S1)的发射极连接的一条支路并联有箝位二极管(D3)。
5.如权利要求4所述的ZCS-PWM开关单元电路，其特征在于，箝位二极管(D3)的阴极与主开关管(S1)的发射极连接，阳极与辅助二极管(D2)的阳极连接。
6.一种ZCS-PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，功率回路包括主开关管(S1)和与主开关管(S1)反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管(S2)，辅助开关管(S2)的集电极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感(Lr)和辅助二极管(D2)，辅助二极管(D2)并联有电容(Cr)，辅助二极管(D2)的阳极与谐振电感(Lr)连接，其特征在于，主开关管(S1)和辅助开关管(S2)的集电极之间设有主二极管(D1)，该主二极管(D1)的阳极与主开关管(S1)的集电极连接，阴极与辅助开关管(S2)的集电极连接；与辅助开关管(S2)的集电极连接的一条支路并联有箝位二极管(D3)。
7.如权利要求6所述的ZCS-PWM开关单元电路，其特征在于，箝位二极管(D3)的阳极与辅助开关管(S2)的集电极连接，阴极与辅助二极管(D2)的阴极连接。
全文摘要
本发明公开了一种ZCS－PWM开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的发射极连接有一条谐振支路；支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与辅助开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的正极连接。主二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助开关管的发射极连接。基于这种电路可以得到一族直流变换器。本电路结构简洁，控制简单方便，功率器件的电压应力和电流应力均很低、效率高、电磁干扰小、工作可靠，能应用于高电压大功率场合。
文档编号H02M7/527GK1897439SQ20061008578
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者秦岭, 谢少军 申请人:南京航空航天大学