一种新型ZCS-PWM Buck变换器研究
发布时间：2010-10-24 11:15
发布者：analog_tech
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1 引 言 与功率场效应管(MOSFET)相比，绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有更高的耐压值、更大的能量密度和较低的开通损耗，因此己广泛用于高压、大功率场合。然而，IGBT的开关速度较慢，而且关断时还存在电流拖尾现象，因而会导致较大的关断损耗。解决这两个问题的有效措施是实现IGBT的零电流开关(ZCS)。为此，近几年已陆续提出了多种ZCS脉宽调制(Pulse Width Modulated，简称PWM)技术方案。例如，文献虽能实现所有有源开关器件的ZCS，但主开关管的电流应力很大，它将显著增加导通损耗。这一问题在文献中得到解决，但辅助开关管的电流应力也很大。而且由于两个谐振电感分别与主开关管、辅助开关管串联，所以损耗较大，且结构复杂。为了有效解决这一问题，文献提出并研究了基于一种新型ZCS PWM开关单元的Boost变换器。在此基础上研究了基于该新型ZCS PWM开关单元的Buck变换器。它在传统Buck电路的基础上增加了一条谐振支路和一条由辅助开关管与二极管串联而成的辅助支路。在整个负载范围内。该新型ZCS PWM Buck变换器的主开关管和辅助开关管均工作在ZCS状态，所有无源开关器件均工作在ZVS状态，因此开关损耗为零。此外，该变换器的谐振电感不再与主开关管和辅助开关管串联，使得损耗明显减小，因此适用于所有使用IGBT的大功率场合。在此。分析了该变换器的工作原理，并通过一台300W，30kHz样机验证了该电路的可行性。 2 工作原理 2．1 主电路拓扑 图1示出新型ZCS PWM Buck变换器。它由主开关管VS1、辅助开关管VS2、3个二极管VD1～VD3、两个谐振电感Lr1,Lr2及一个谐振电容Cr组成。VS1起到将能量传输到负载的作用；通过VS2传输的能量占总负载能量的比例很小，流过它的电流平均值也很小。 
3 仿真及实验结果 通过Saber仿真软件对新型ZCS PWM Buck变换器进行了仿真分析。参数设置：输入电压Uin=100V。额定输出电压Uo=60V，额定输出功率Po=300W，开关频率fs=30kHz，Lr1=Lr2=6μH，Cr=100nF，Lo=1mH，滤波电容Co=470μH,为了验证仿真结果，设计了一台实验样机，该样机的VS1和VS2选用G25N120；VD1—VD3选用HFA25TB60。 图4示出满载时和10％负载时VS1和VS2上的电流iVS1和ivsz及电压uvs1和uVS2实验波形。由图可见，VS1和VS2都实现了软开关。由于该样机是以额定电流的10％作为临界连续电流而设计的。当负载小于额定负载的10％时，系统就进入了电流断续状态，功率器件也实现了ZCS。因此，该变换器能在整个负载范围内实现ZCS。  4 结论 研究了一种新型ZCS PWM Buck变换器，分析了该变换器的工作原理。它具有下述优点：①结构简单，所用器件数量少；②所有的有源开关器件都是ZCS，所有的无源开关器件都是ZVS。所以没有开关损耗：③变换器能在整个负载范围内实现软开关。 该新型ZCS PWM Buck变换器适用于功率器件采用IGBT的高压、大功率应用场合。样机实验结果验证了理论分析的正确性。 |
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