- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
源箝位零电压开关DC-DC变换器拓扑的研究
录入：edatop.com 点击：
1 引 言
有源箝位ZVS PWM DC-DC 变换器较传统的PWM DC-DC变换器有很多的优点，它可以改进高频变压器的设计，改善它的性能，同时，变换起的主电路只增加了一个辅助开关管和一个箝位电容，实现起来相对比较容易。本文提出了ZVS 有源箝位单元模块概念，并且在此基础上，得出了六种（buck、boost，buck-boost、cuk、zeta、sepic）基本DC-DC 变换器不同形式的ZVS有源箝位的拓扑结构，对其优缺点进行了分析和比较，并对其在实际中的应用进行了分析。
2 传统有源箝位ZVS DC-DC 变换器
如图1所示，可以从boost型箝位隔离单端正激变换器获得boost型有源箝位ZVS-PWM单元模块。
在图1中，能量的传递是通过buck单元实现的，而有源箝位功能则是通过boost单元实现的。同理，基于buck单元实现能量传递，可以得到buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic 箝位的电路拓扑。如图2所示。
如果将图2拓扑结构进行变换可以得到一种更为直观的拓扑如图3所示。
从图3中不难分离出六种不同的基本有源箝位ZVS-PWM单元模块，即buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、和sepic箝位单元模块，如图4所示。
2.2传统型有源箝位ZVS-PWM DC-DC 变换器
结合图4的六中有源箝位ZVS-PWM单元模块和六种基本的能量传递单元，可以获得36种不同类型的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器的拓扑结构，并且根据能量传递的不同，可以分为六种，即buck、boost、buck-boost、cuk、zeta和sepic变换器.为了节省篇幅，图5给出了buck-boost和boost为能量传递单元的有源箝位拓扑。（buck型变换器在图2中已经给出）
[p] 2.3传统有源箝位ZVS-PWM变换器的缺点
不失一般性，下面以buck-boost为箝位模块，以boost为能量传递单元的拓扑结构来说明传统有源箝位电路的缺点。
如图6所示：谐振电感Lr接在开关管S1和二极管Db之间是为了控制二极管Db的反向恢复电流di/dt。当主开关管S1关断时，辅助开关管S2和箝位电容Cc用于吸收贮存于Lr中的能量。因此，在该变换器中，当主开关管S1关断时，其电压应力被箝位于Vcc+V0，
同时主开关管和辅助开关管都实现了零电压开关，但是，有于谐振缓冲电感Lr和Db结电容的存在，两者会产生谐振，从而使Db上会产生很高的电压应力，因此，Db必须选择一个耐压等级很高的二极管，这将增加成本和损耗。
3 改进型有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器
为了解决由于Lr和Db的谐振而引起的Db上电压应力过高的问题，在图7的改进型boost-buck-boost电路种，增加了一个二极管Dc用来箝位Db上的电压应力。不过，虽然Db上的高电压应力被箝位了，然而在开关转换过程中，Db和Dc仍然是硬开关，因此，它们上面的dv/dt仍然很高，这将产生很大的EMI噪声和增加开关损耗。为了解决这个问题，在图8改进型boost-buck-boost电路中，用一个电容Cc2和Dc并联，开关管的寄生电容和二极管的节电容都被吸收了，这样，所有的开关器件都实现了软开关同时又不会增加它们上面的开关应力和dv/dt以及di/dt.图9给出了以buck-boost为有源箝位模块，buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic改进型变换器。
4 一种新型有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器
在改进型的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器中，虽然实现了所有开关器件的软开关，但它增加了一个箝位二极管和一个吸收电容，相应地增加了电路的元件和成本。下面提出的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器不仅可以实现所有开关器件的软开关，而且不用增加元件的数目。图10是以buck-boost有源箝位的boost电路。在该电路中，有源箝位网络直接和谐振电感并联，在该电路的任何时刻，M1、M2、D1三个开关器件中，总有两个开关元件是导通的，而在此时刻关断的开关器件，其上的电压应力被箝位于较低的值。因此，所有的开关器件上的电压应力都很低，而且主开关管可以在较宽的负载范围内实现零电压开关。
同理可以获得一组以buck-boost箝位的DC-DC变换器，如图11所示。
[p] 5 实验验证
为了对上面的理论分析进行验证，下面对新型buck-boost箝位的boost电路进行了仿真分析，仿真分析的电路如图12所示，参数如下。
Vin=300v,V0=360v,Lf=600uH,Lr=30Uh,Cc=2.2uF,C1=460pF,Cf=630uF,Q1和Q2为IRFP460MOSFET，D1为MUR810（Motorola）工作频率为f=100khz，D=0.4
从上面的仿真波形可以看出，主开关管、辅助开关管和二极管上的电压都没有超过500v，同时，当二极管关断时，其上电压变化不是很大，不会产生振荡。进一步的实验可以证明，这种新型的有源箝位变换器在很宽的负载范围内都可以取得很高的效率。
6 结 语
有源箝位变换器实现了主开关管和辅助开关管的零电压开关，开关器件上的电压应力小，若采用新型的有源箝位方式，二极管上的电压也可以箝位，而且其电路实现起来比较的简单易于控制。本文主要以有源箝位模块为基础，提出了buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic箝位方式单元模块，将这些模块应用到常规硬开关PWM DC-DC变换器就可以得到一族零电压有源箝位PWM DC-DC 变换器。
7 参考文献
1:Claudio M.C. “An improved family of ZVS-PWM active clamping DC-DC converters” IEEE transactions on power electronics 1998 pp467-474
2:Gang Chen,Dehong Xu “A family of compound active clamping dc-dc converters” IEEE transactions on power electronics” 2002 .pp1208-1215
3:万成安，刘文青 “有源箝位ZVS-PWM开关变换器的分析和研究” 中国空间科学技术 2000. pp64-69
有源箝位ZVS PWM DC-DC 变换器较传统的PWM DC-DC变换器有很多的优点，它可以改进高频变压器的设计，改善它的性能，同时，变换起的主电路只增加了一个辅助开关管和一个箝位电容，实现起来相对比较容易。本文提出了ZVS 有源箝位单元模块概念，并且在此基础上，得出了六种（buck、boost，buck-boost、cuk、zeta、sepic）基本DC-DC 变换器不同形式的ZVS有源箝位的拓扑结构，对其优缺点进行了分析和比较，并对其在实际中的应用进行了分析。
2 传统有源箝位ZVS DC-DC 变换器
如图1所示，可以从boost型箝位隔离单端正激变换器获得boost型有源箝位ZVS-PWM单元模块。
在图1中，能量的传递是通过buck单元实现的，而有源箝位功能则是通过boost单元实现的。同理，基于buck单元实现能量传递，可以得到buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic 箝位的电路拓扑。如图2所示。
如果将图2拓扑结构进行变换可以得到一种更为直观的拓扑如图3所示。
从图3中不难分离出六种不同的基本有源箝位ZVS-PWM单元模块，即buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、和sepic箝位单元模块，如图4所示。
2.2传统型有源箝位ZVS-PWM DC-DC 变换器
结合图4的六中有源箝位ZVS-PWM单元模块和六种基本的能量传递单元，可以获得36种不同类型的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器的拓扑结构，并且根据能量传递的不同，可以分为六种，即buck、boost、buck-boost、cuk、zeta和sepic变换器.为了节省篇幅，图5给出了buck-boost和boost为能量传递单元的有源箝位拓扑。（buck型变换器在图2中已经给出）
[p] 2.3传统有源箝位ZVS-PWM变换器的缺点
不失一般性，下面以buck-boost为箝位模块，以boost为能量传递单元的拓扑结构来说明传统有源箝位电路的缺点。
如图6所示：谐振电感Lr接在开关管S1和二极管Db之间是为了控制二极管Db的反向恢复电流di/dt。当主开关管S1关断时，辅助开关管S2和箝位电容Cc用于吸收贮存于Lr中的能量。因此，在该变换器中，当主开关管S1关断时，其电压应力被箝位于Vcc+V0，
同时主开关管和辅助开关管都实现了零电压开关，但是，有于谐振缓冲电感Lr和Db结电容的存在，两者会产生谐振，从而使Db上会产生很高的电压应力，因此，Db必须选择一个耐压等级很高的二极管，这将增加成本和损耗。
3 改进型有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器
为了解决由于Lr和Db的谐振而引起的Db上电压应力过高的问题，在图7的改进型boost-buck-boost电路种，增加了一个二极管Dc用来箝位Db上的电压应力。不过，虽然Db上的高电压应力被箝位了，然而在开关转换过程中，Db和Dc仍然是硬开关，因此，它们上面的dv/dt仍然很高，这将产生很大的EMI噪声和增加开关损耗。为了解决这个问题，在图8改进型boost-buck-boost电路中，用一个电容Cc2和Dc并联，开关管的寄生电容和二极管的节电容都被吸收了，这样，所有的开关器件都实现了软开关同时又不会增加它们上面的开关应力和dv/dt以及di/dt.图9给出了以buck-boost为有源箝位模块，buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic改进型变换器。
4 一种新型有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器
在改进型的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器中，虽然实现了所有开关器件的软开关，但它增加了一个箝位二极管和一个吸收电容，相应地增加了电路的元件和成本。下面提出的有源箝位ZVS-PWM DC-DC变换器不仅可以实现所有开关器件的软开关，而且不用增加元件的数目。图10是以buck-boost有源箝位的boost电路。在该电路中，有源箝位网络直接和谐振电感并联，在该电路的任何时刻，M1、M2、D1三个开关器件中，总有两个开关元件是导通的，而在此时刻关断的开关器件，其上的电压应力被箝位于较低的值。因此，所有的开关器件上的电压应力都很低，而且主开关管可以在较宽的负载范围内实现零电压开关。
同理可以获得一组以buck-boost箝位的DC-DC变换器，如图11所示。
[p] 5 实验验证
为了对上面的理论分析进行验证，下面对新型buck-boost箝位的boost电路进行了仿真分析，仿真分析的电路如图12所示，参数如下。
Vin=300v,V0=360v,Lf=600uH,Lr=30Uh,Cc=2.2uF,C1=460pF,Cf=630uF,Q1和Q2为IRFP460MOSFET，D1为MUR810（Motorola）工作频率为f=100khz，D=0.4
从上面的仿真波形可以看出，主开关管、辅助开关管和二极管上的电压都没有超过500v，同时，当二极管关断时，其上电压变化不是很大，不会产生振荡。进一步的实验可以证明，这种新型的有源箝位变换器在很宽的负载范围内都可以取得很高的效率。
6 结 语
有源箝位变换器实现了主开关管和辅助开关管的零电压开关，开关器件上的电压应力小，若采用新型的有源箝位方式，二极管上的电压也可以箝位，而且其电路实现起来比较的简单易于控制。本文主要以有源箝位模块为基础，提出了buck、boost、buck-boost、cuk、zeta、sepic箝位方式单元模块，将这些模块应用到常规硬开关PWM DC-DC变换器就可以得到一族零电压有源箝位PWM DC-DC 变换器。
7 参考文献
1:Claudio M.C. “An improved family of ZVS-PWM active clamping DC-DC converters” IEEE transactions on power electronics 1998 pp467-474
2:Gang Chen,Dehong Xu “A family of compound active clamping dc-dc converters” IEEE transactions on power electronics” 2002 .pp1208-1215
3:万成安，刘文青 “有源箝位ZVS-PWM开关变换器的分析和研究” 中国空间科学技术 2000. pp64-69
射频工程师养成培训教程套装，助您快速成为一名优秀射频工程师...
天线设计工程师培训课程套装，资深专家授课，让天线设计不再难...
上一篇：蓄电池的种类与正确的使用和维护
下一篇：继电保护简介和原理
射频和天线工程师培训课程详情>>
