專利名稱：恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬開關(guān)功率變換，特別是恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)變換器。
經(jīng)典開關(guān)功率變換器(包括升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式等)采用恒頻脈寬調(diào)制(PWM)控制方式，其控制簡(jiǎn)單且濾波元件易于設(shè)計(jì)，但PWM開關(guān)由于強(qiáng)迫通斷而產(chǎn)生交叉損耗，該損耗功率與開關(guān)頻率成正比，故不能滿足高頻小型化的要求。以后出現(xiàn)的零電流開關(guān)(ZCS)準(zhǔn)諧振變換器(美國(guó)專利4720667)利用電流諧振實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，從理論上消除交叉損耗，但ZCS準(zhǔn)諧振變換器不能消除由開關(guān)寄生電容通過開關(guān)放電所引起的損耗，從而限制了開關(guān)頻率進(jìn)一步提高，且其必須采用變頻控制，增加了濾波元件的設(shè)計(jì)難度。再后出現(xiàn)的零電壓開關(guān)(ZVS)準(zhǔn)諧振變換器(美國(guó)專利4785387)又改進(jìn)為利用電壓諧振實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，從理論上消除交叉損耗，由于其將開關(guān)寄生電容納入諧振電容，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)功率變換，但其電壓諧振峰值比經(jīng)典PWM開關(guān)高得多，故勢(shì)必選用通態(tài)電阻(或電壓)較大的高壓開關(guān)(如高耐壓VDMOS管)，這無疑會(huì)增加開關(guān)損耗、降低效率，同樣該類變換器必須采用變頻控制，使濾波元件難于設(shè)計(jì)。為了克服ZVS準(zhǔn)諧振變換器的不足，各種部分諧振開關(guān)電路相繼問世，如利用可控諧振電容或飽和電感達(dá)到部分諧振等，其典型例子參見“Resonant Converter Controlled by Variable Capacitance Devices”(IEEE PESC Record，1990)及“A New Class of Zero-Voltage-Switched PWM Converters”(1991 VPEC Seminar Proceedings)，這種參數(shù)可控的諧振開關(guān)變換器雖然實(shí)現(xiàn)了PWM恒頻控制，但卻未解決開關(guān)電壓諧振峰值過大的問題。文獻(xiàn)“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters”(IEEE PESC Record，1992)提出了一種零電壓轉(zhuǎn)移(ZVT)PWM變換器(如圖1所示ZVT-PWM降壓式變換器)，該變換器在經(jīng)典PWM變換器的基礎(chǔ)上引入輔助開關(guān)S1諧振支路，從而既能實(shí)現(xiàn)恒頻控制又能減小開關(guān)準(zhǔn)諧振電壓峰值，但由于輔助開關(guān)S1未能實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，故限制了開關(guān)頻率進(jìn)一步提高。另外，以半橋及全橋電路為基礎(chǔ)也能實(shí)現(xiàn)恒頻控制及零電壓開關(guān)諧振電壓峰值限幅，但電路過于復(fù)雜。
針對(duì)上述各電路的長(zhǎng)處及不足，本發(fā)明提出一種由主、輔兩支開關(guān)復(fù)合而成的恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)，利用此開關(guān)替代經(jīng)典開關(guān)功率變換器(升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式、CuK式變換器等)的功率開關(guān)，即形成一簇CF-ZVERS變換器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)(1)恒頻PWM控制;(2)主、輔開關(guān)均為零電壓開關(guān);(3)電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所述的CF-ZVERS變換器包括輸入直流電源、傳能電感(或變壓器或電容)、整流(或續(xù)流)二極管、CF-ZVERS、輸出濾波器及負(fù)載。其核心CF-ZVERS的基本設(shè)計(jì)思想就是在零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān)的基礎(chǔ)上，加上限幅電路和輔助開關(guān)，使開關(guān)波形在上升和下降沿發(fā)生諧振，而整個(gè)電路仍工作于PWM的方波模式。該CF-ZVERS開關(guān)由主開關(guān)Sm(帶反向二極管D1)、輔開關(guān)Sc(帶反向二極管D2)、諧振電容Cr、諧振電感Lr和限幅電容Cc組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，開關(guān)Sm、Sc一般為VDMOS器件;D1、D2為VDMOS器件的寄生二極管或外接二極管與VDMOS器件的寄生二極管并聯(lián);Cr為VDMOS器件寄生電容或外接電容與VDMOS器件寄生電容并聯(lián);Lr為開關(guān)感性負(fù)載漏感或外接電感與開關(guān)感性負(fù)載漏感串聯(lián);Cc足夠大以至其電壓基本保持恒定。該恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)為三端網(wǎng)絡(luò)，其主開關(guān)Sm(帶反向二極管D1)與諧振電容Cr并聯(lián)后一端為(2)端，另一端與輔開關(guān)Sc(帶反向二極管D2)的一端相連后再與諧振電感Lr相連后為(1)端，輔開關(guān)Sc的另一端與限幅電容Cc相連后為(3)端，(3)端接恒定電壓，用(1)、(2)端替代經(jīng)典開關(guān)功率變換器功率開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)變換器。
下面以升壓式CF-ZVERS變換器圖4為例，說明CF-ZVERS變換器工作原理。開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形時(shí)序見圖3。在0時(shí)刻，Sc處于截止，Sm斷開，Vr線性升至Vo，Df導(dǎo)通，此時(shí)，Sm和Sc均截止，Lr與Cr發(fā)生諧振直至t1時(shí)刻;Vr達(dá)到Vc，D2自然導(dǎo)通，在D2上電流反向之前，Sc零電壓導(dǎo)通(不失一般性，圖4中假設(shè)Sc與D2同時(shí)導(dǎo)通)，Vr限幅在Vc，Lr被反向充電直到Sc斷開(在此區(qū)間，Ir電流反向，D2自然斷開);在t2時(shí)刻，Sc斷開，Lr、Cr再次諧振，迫使Vr下降為O;t3時(shí)刻，D1自然導(dǎo)通，然后Sm導(dǎo)通(不失一般性，圖4中假設(shè)Sm與D1同時(shí)導(dǎo)通)，Ir被Vo線性充電直至達(dá)到Im，D4截止，當(dāng)ts時(shí)刻，Sm關(guān)斷，電路進(jìn)入下一周期。
由上述分析看出，開關(guān)Sm和Sc均為零電壓導(dǎo)通及截止，且均工作在低電壓的無尖峰方波模式，其耐壓僅為ZVS準(zhǔn)諧振變換器功率開關(guān)的2/5～3/5。由于Sc可在D2導(dǎo)通到其電流反向之前任意一點(diǎn)導(dǎo)通，在保證Sc零電壓導(dǎo)通的前提下，從Sm截止到Sc導(dǎo)通的時(shí)間差完全能夠選擇為一個(gè)恒量。同理，從Sc截止到Sm導(dǎo)通的時(shí)間差也可以設(shè)計(jì)成恒量。因此，Sm和Sc的驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿同步變化，在固定開關(guān)頻率的條件下通過改變其占空比而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的。
采用本發(fā)明所述的CF-ZVERS變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)由于主、輔開關(guān)工作于低電壓的無尖峰方波模式，故可選用通態(tài)電阻小的低耐壓VDMOS器件，這樣，一方面可提高變換效率，另一方面也可降低產(chǎn)品成本;(2)主、輔開關(guān)均為零電壓開關(guān)，消除了與頻率成正比的交叉損耗功率，故適應(yīng)高頻小型化功率變換的要求，開關(guān)頻率可達(dá)1MHz以上;(3)采用恒頻PWM控制技術(shù)減輕了濾波負(fù)擔(dān)，使濾波元件易于設(shè)計(jì);(4)由于限幅支路在限幅的同時(shí)，還起到磁芯復(fù)位的作用，使變換器工作占空比可大于50%，故其具有很寬的穩(wěn)壓范圍;(5)由于諧振上下沿可設(shè)計(jì)得比開關(guān)周期小得多，在滿足零電壓開關(guān)條件下，開關(guān)感性負(fù)載漏感大小對(duì)變換器工作特性影響甚微，故電路簡(jiǎn)單易于批量生產(chǎn)。
附圖及


圖1零電壓轉(zhuǎn)移開關(guān)(ZVT-PWM)降壓式變換器原理中S主開關(guān);S1輔開關(guān);Vg輸入直流電源;Lr諧振電感;Cr、Cj;諧振電容;Lf傳能電感;Df續(xù)流二極管;Co輸出濾波電容;R負(fù)載電阻。
圖2本發(fā)明所述恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)原理中Sm主開關(guān);Sc輔開關(guān);D1、D2反向二極管;Cr諧振電容;Cc限幅電容;Lr諧振電感。
圖3圖2中Sm、Sc的驅(qū)動(dòng)波形時(shí)序中t1、t3-t1及t3為恒定值。
圖4升壓式恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)變換器原理中Sm為VDMOS主開關(guān)(帶反向二極管D1)Sc為VDMOS輔開關(guān)(帶反向二極管D2)Cr諧振電容;Lr諧振電感;Cc限幅電容;Vg輸入直流電源;Vc限幅電壓;Vo輸出電壓;Lm傳能電感;Co輸出濾波電容;R負(fù)載電阻;Df續(xù)流二極管。
圖5單端反激式恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)變換器原理中Vg輸入電壓;Vo輸出電壓;T隔離變壓器(磁芯材料H7C4);Sm主開關(guān)、Sc輔開關(guān)均為IRF530 VDMOS管;D1、D2為IRE530 VDMOS管的寄生二極管;Df為B1545續(xù)流二極管;Cr諧振電容為IRF530 VDMOS管的結(jié)電容;Cc、Co均為獨(dú)石電容;R負(fù)載電阻;1為閉環(huán)控制回路。
下面以圖5所示的單端反激式恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)變換器作為實(shí)例，進(jìn)一步說明本發(fā)明，其Sm、Sc均為IRF530 VDMOS管，D1、D2均為它的寄生二極管，Cr為它的結(jié)電容、Cc和Co分別為1u和3u的獨(dú)石電容，R為2.9Ω，隔離變壓器T磁芯材料為H7C4，Lr為變壓器漏感，輸出電壓為12V，其虛線內(nèi)1為閉環(huán)控制電路，它由隔離電路、誤差放大器、PWM、二路移相及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，它的輸出理想電壓波形如圖3所示。當(dāng)輸入電壓選為24V～60V，其占空比從62%～32%變化，當(dāng)Vg＝36V時(shí)變換效率為87.9%。表1例出了本實(shí)例與相應(yīng)的ZVS準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)電壓峰值的比較，從表中看出，本實(shí)例的諧振電壓峰值要小得多，僅為它的1/2左右。

權(quán)利要求
1.一種恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)變換器由輸入直流電源Vg、傳能電感Lm、續(xù)流二極管Df、功率開關(guān)、輸出濾波器及負(fù)載組成，其特征在于(1)功率開關(guān)是由主開關(guān)和輔開關(guān)復(fù)合組成的三端網(wǎng)絡(luò)，其主開關(guān)Sm(帶反向二極管D1)與諧振電容Cr并聯(lián)后一端為(2)端，另一端與輔開關(guān)Sc(帶反向二極管D2)的一端相連后再與諧振電感Lr相連后為(1)端，輔開關(guān)Sc的另一端與限幅電容Cc相連后為(3)端，(3)端接恒定電壓，用(1)、(2)端替代經(jīng)典開關(guān)功率變換器的功率開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)功率變換器；(2)主、輔開關(guān)Sm、Sc均為零電壓開關(guān)，工作在低電壓無尖峰方波模式，采用恒頻同步脈寬調(diào)制控制方式。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種恒頻零電壓邊沿諧振開關(guān)(CF-ZVERS)變換器，由輸入直流電源、傳能電感、續(xù)流二極管、CF-ZVERS、輸出濾波器及負(fù)載組成。其中CF-ZVERS是由主開關(guān)和輔開關(guān)復(fù)合組成的三端網(wǎng)絡(luò)，用該開關(guān)替代經(jīng)典開關(guān)功率變換器中的功率開關(guān)即可組成升壓式、降壓式、升降壓式、單端反激式、單端正激式和CuK式CF-ZVERS變換器。本發(fā)明采用恒頻PWM控制方式，其主、輔開關(guān)均為零電壓開關(guān)。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1099915SQ9311195
公開日1995年3月8日 申請(qǐng)日期1993年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月31日
發(fā)明者胡志安, 程仁杰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)