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一种适合于特种双向脉冲电源的软开关电路的研究
http://www.dykf.com  2008-12-27  电源开发网
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Abstract:A soft-switch circuit to special bidirectional pulse power is put forwarded in this paper,the topological structure and working process of this soft-switch circuit is analyzed in detail,the loss of circuit is analyzed and compared between the soft-switch and the hard-switch,and the soft-switch circuit is simulated. The results of simulation show that the soft-switch circuit can turn on or switch off in zero voltage,output bidirectional pulse,reduce the loss of the main switch effectively,enhance the working efficiency of circuit. At the same time, it shows that the soft-switch circuit is feasible in special bidirectional pulse power.

Keyword:Soft-switch;Loss;Bidirectional Pulse Power;Zero Voltage

1 引 言

  在开关模式功率电源中,往往采用磁性元件(如铁心电感、变压器等)实现交/直流侧滤波、能量存储和传输。这些磁性元件在电源装置中的体积、重量、成本占有很大比重,开关器件工作频率越高,磁性元件尺寸则越小,从而实现电源装置的小型、轻量、低成本。但是,传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态,但由于硬开关的关断和开通损耗大、感性关断问题和容性开通问题带来的电流与电压冲击、以及二极管的反向恢复等问题妨碍了开关器件工作频率的提高[1]。
  
  为克服硬开关状态工作的诸多问题,自20世纪80年代以来,软开关技术得到了深入广泛的研究并在近年来得到了迅速的发展。所谓“软开关”(Soft Switching Technology)通常是指器件在开通和关断过程中的开关损耗为零。有零电压开关ZVS(Zero Voltage Switching)和零电流开关ZCS(Zero Current Switching)两大类。
  
  从现有关于软开关逆变电路的研究来看[1,5,6],绝大多数都是针对变频调速而提出来的,不适应于特种双向脉冲电源。在特种双向脉冲电源中,主电路采用逆变桥结构,输出为双向脉冲,而且特种脉冲电源的输出功率较大,这些都给电源软开关电路的设计提出了新的要求[2]。为此,提出一种输出为双向脉冲的谐振软开关电路。

2 特种双向脉冲电源的软开关电路

2.1 软开关拓扑结构分析

  特种双向脉冲电源的谐振软开关拓扑结构电路如图1所示。从图中可以看出,在这种软开关电路中,辅助谐振支路由两个辅助开关及二极管、谐振电感构成。二极管在这里主要起反向阻断作用,在实际设计中可以选用内部带反并联二极管的功率电子开关模块来作为辅助开关。同时采用单相软开关换向技术在每个主开关器件两端并联有缓冲电容,在缓冲电容的作用下可实现零电压关断,缓冲电容:C1=C2=C3=C4=Cr。考虑负载电感远大于谐振电感,故在一次换流过程中负载电流可看作不变,即可用一个恒流源来代替。通过控制辅助开关Sr1、Sr2的通断就可以实现主开关器件S1、S4和S2、S3的全程软开关控制。



2.2 软开关电路的工作过程分析

  由单相软开关换向技术[1]可知,当负载电流从主开关管向另一侧续流二极管换流时,不需要辅助谐振电流的作用,缓冲电容可帮助此软开关换流过程。因此,下面将主要讨论负载电流从二极管向另一侧主开关管的换流过程。现假定电路中的元件都是理想的,将软开关的工作工程分六个阶段进行分析,电路工作过程中的主要电量波形如图2所示。


  (1)t0 ~ t1时间段(模式0)
  
  该时间段,电路工作于初始状态,正向负载电流流过二极管D3、D2续流,主功率开关S3、S2保持导通状态,此阶段持续的时间由PWM控制规律确定。
  
  (2)t1 ~ t2时间段(模式1)
  
  在时刻t1,导通辅助谐振开关Sr2。之后,辅助谐振电感Lr处于充电状态,电感电流iLr在VS的作用下线性上升,导致续流二极管电流iD2、iD3线性下降。当iLr上升到等于负载电流I0时,iD2、iD3下降为零,二极管D2、D3在零电流时自然关断,这一时间段结束。
  
  (3)t2 ~ t3时间段(模式2)
  
  在时刻t2,iLr上升到等于I0,D2、D3截止。之后,iLr在VS的作用下继续上升,电流差值iM = iLr - I0将通过主开关管S2、S3流通。当iLr上升到某一预先设定的阀值ITh时,关断S2、S3(这时Cr2、Cr3将作为无损耗缓冲电容使S2、S3在零电压下关断),这一时间段结束。
  
  (4)t3 ~ t4时间段(模式3)
  
  在t3时,iLr上升到预先设定的阀值ITh,主功率开关S2、S3在零电压下关断,随后电路进入谐振状态。Cr1、Cr2、Cr3、Cr4将与电感L产生谐振,Cr2、Cr3处于充电状态,其两端电压从0向VS谐振上升,Cr1、Cr4处于放电状态,其两端电压从VS向0谐振下降。当vCr1、vCr4下降到0时,与其并联的二极管D1、D4导通,这一时间段结束。
  
  (5)t4~t5时间段(模式4)
  
  在t4时刻,vCr1、vr4下降到0,D1、D4导通,谐振过程停止。之后电感电流iLr在电压-VS的作用下线性下降,当iLr下降到等于负载电流I0时,这个时间段结束。
  
  (6)t5 ~ t6时间段(模式5)
  
  在t5时刻,iLr下降到等于负载电流I0,D1、D4零电流自然关断。之后,差值电流I0 - iLr将通过主功率开关S1、S4流通,iLr在-VS作用下继续线性下降。在t6时刻,iLr下降到0,辅助开关Sr2在零电流下关断,这一时间段结束。

  如果图1所示电路的初始状态为负载电流I0通过二极管D1、D4续流,为了使负载电流能够在软开关条件下完成从二极管D1、D4向主功率开关管S2、S3换流的过程,则应导通辅助开关Sr1,之后的过程与前述过程工作原理是一样的。
  
  在上面的分析中,将电路元件看作理想元件,这样Lr、Cr在谐振过程中没有能量的损失。在实际电路中,由于必然存在能量的损耗,为了能够使得Cr1、Cr4可靠谐振到零,则必须使得谐振电感充电阀值ITh大于I0,且能量
应大于Lr、Cr谐振过程中能量的损耗[3]。

3 软开关电路与硬开关电路损耗分析与比较
  
  硬开关PWM逆变电路中,电力电子器件在高电压下导通、大电流下关断,处于强迫开关过程,会产生很大的开关瞬时功耗,并且随着开关频率的增加,功耗呈增长趋势。软开关技术使得开关器件在零电压或零电流下关断,理论上开关器件的损耗为零,开关频率可大大提高,由此带来一系列优点。在软开关逆变电路中,由于辅助谐振环节的存在,使得逆变电路主开关器件的开关损耗减小甚至接近于零。但同时又引入了辅助谐振环节的损耗,只有在引入的辅助谐振环节的损耗小于降低或消除的逆变电路主开关器件的开关损耗时,效率才会提高,实际电路才有经济意义。

3.1 硬开关电路的开关损耗
  
  若一个硬开关由一个IGBT和一个反并联二极管组成,则硬开关的损耗由IGBT的开通损耗、IGBT的关断损耗、二极管管的开通损耗、二极管的关断损耗四部分组成,但反并联二极管的开通损耗接近于零,可忽略,所以硬开关的损耗实际上由IGBT的开通损耗、IGBT的关断损耗、二极管的关断损耗三部分组成[1,4]。
  
  设td(on)为开通延迟时间,tr为开通电流上升时间,trr为反并联二极管的反向恢复时间,td(off)为关断延迟时间,ttail为尾部电流下降时间,tf为关断电流下降时间,IRRM为二极管反向恢复电流,(di/dt)on为开通电流上升率,VS为直流主回路电压,I0为负载电流,LS为回路杂散电感,则可求得一个周期内硬开关的总的开关损耗[1,4]。
 
  参考文献[1,4],可求得硬开关的总损耗为:


3.2 软开关电路的损耗分析
  
  从上面对软开关的分析中可知,软开关在工作过程中,主开关器件IGBT以零电压开关,器件的开关损耗可忽略不计。所以,在此只讨论因引入辅助谐振环节而带来的损耗。
  
  辅助开关管Sr1、Sr2在零电流下开通,零电压下关断,开关损耗近似为零,因此主要考虑在辅助开关管导通过程中的损耗。从1.2的分析中可知,可以将该损耗分为三部分[3]:
  
  (1)t1~t3时间段


  式中VID(on)为辅助二极管与反并联二极管的通态压降之和。

  (2)t3~t4时间段


  (3)t4~t6时间段
  
  此阶段的损耗与t1~t3时间段相同。


  (4)软开关的总损耗为:


  从以上的分析和计算中可知,软开关电路中主开关管在零电压下开关,开关损耗接近于零,其辅助谐振环节只在主开关管需要换向的短暂时间内工作。所以,其开关损耗相对硬开关的损耗来说很小,有利于保护器件的工作安全和提高工作频率。

4 系统亚博app下载苹果实验
  
  采用Saber电力亚博app下载苹果软件对该系统进行亚博app下载苹果。亚博app下载苹果参数为:VS=600V,I0=35A,频率为10KHz,辅助谐振电感Lr=20μF,ITh=42A,Cr=0.1μF。亚博app下载苹果结果如图3~8所示。




5 结 论
  
  从亚博app下载苹果结果可以看出,本文提出的特种脉冲电源谐振软开关电路实现了主开关器件的零电压开通和关断,有效地减小了主开关器件的开关损耗,使逆变电路可以在更高频率下工作。软开关电路中引入的辅助谐振环节的损耗相对于硬开关损耗来说也很小,提高了电路工作的效率,软开关电路的输出也符合特种双向脉冲电源的要求。


参考文献

[1] 王 聪. 软开关功率变换器及其应用. 科学出版社. 2001

[2] 明正峰. 谐振软开关技术及其在逆变电路电源中的应用,电源技术应用. 2000,12

[3] 杨 旭. 零电压过度PWM软开关电路的损耗计算. 电力电子技术. 1999,1

[4] 郑利军. PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析. 电力电子技术. 1999,5

[5] Jih-ShengLai. Resonant Snubber-Based Soft-Switching Inverter for Electric Propulsion Drives. IEEE Transactions on Industry Electronics. 1997,44(1)

[6] Jih-ShengLai. A Novel Resonant Snubber Inverter. In Conf. Rec. IEEE APEC, Dallas, TX , 1995,23(1)
来源:《电源世界》  作者:程璋  李…  点击:  录入:admin
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