無源無損緩沖電路及其新拓撲??

摘要：在分析無源無損緩沖電路的拓撲分類和硬開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了無源無損緩沖電路的結(jié)構(gòu)原理和一般實現(xiàn)方法。重點介紹了其在DC/DC變換器中兩種新穎的拓撲結(jié)構(gòu)，并簡要地分析了它們的工作原理和優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：無源無損緩沖電路；DC/DC變換器；功率因數(shù)校正

1??? 概述

??? 在硬開關(guān)電路中，有源開關(guān)器件連接在剛性的電壓源或電流源上，開關(guān)損耗大、電磁干擾嚴重、可靠性低，且隨著開關(guān)頻率的提高，這種現(xiàn)象更為嚴重。為了克服這些缺陷，軟開關(guān)技術(shù)被廣泛采用。

??? 有源緩沖電路、RCD緩沖電路、諧振變換器、無源無損緩沖電路是常用的軟開關(guān)技術(shù)。其中，有源緩沖電路通過增添輔助開關(guān)以減少開關(guān)損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復(fù)雜程度，從而增大了性價比，也降低了可靠性；RCD緩沖電路雖然結(jié)構(gòu)最簡單，價格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開關(guān)技術(shù)中性能最差；而諧振變換器雖然實現(xiàn)了ZVS或ZCS，減少了開關(guān)損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環(huán)電流較大，還必須在特定的軟開關(guān)控制器的控制信號下工作，增加了通態(tài)損耗、增加了成本、降低了可靠性。與這三種方法不同，無源無損緩沖電路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三種方法的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)與RCD緩沖電路一樣簡單，效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高，電磁干擾小、造價低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

??? 目前，無源無損緩沖技術(shù)雖已比較成熟，但在國內(nèi)外仍不時有新的拓撲和研究成果發(fā)表。本文在參考了最近20多年中無源無損緩沖電路研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了無源無損緩沖電路的結(jié)構(gòu)原理和一般實現(xiàn)方法。此外，重點介紹了其在PWM DC/DC變換器中兩種最新的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了它們的工作原理，并比較了它們的優(yōu)缺點。

2??? 拓撲分類

??? 在過去的幾十年里，出現(xiàn)了許多不同的無源無損緩沖電路的拓撲結(jié)構(gòu)，它們可以用一套屬性來描述[1]。為此，可劃分為兩類：一類是最小電壓應(yīng)力單元（MVS），如圖1（a），圖1（b）所示；另一類是非最小電壓應(yīng)力單元（Non-MVS）,如圖1（c），圖1（d），圖1（e），圖1(f)所示。最小電壓應(yīng)力單元^[2]僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關(guān)管電壓應(yīng)力最小，但實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍不大；非最小電壓應(yīng)力單元^[3]增加了一個電感，同時也增加了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但與最小電壓應(yīng)力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開關(guān)范圍較大。而且，在小功率情況下，具有較高的效率。

(a) MVS??? (b) MVS

(c)Non-MVS??? (d)Non-MVS

(e)Non-MVS??? (f)Non-MVS

圖 1??? 無 源 無 損 緩 沖 電 路 拓 撲 結(jié) 構(gòu)

3??? 結(jié)構(gòu)原理與實現(xiàn)方法

??? 硬開關(guān)電路在開關(guān)時，存在3種損耗：

??? 1）開通時，由續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流引起的浪涌電流，會導(dǎo)致較大的導(dǎo)通損耗；

??? 2）開通時，MOSFET的寄生結(jié)電容放電會引起損耗；

??? 3）關(guān)斷時，MOSFET的結(jié)電容電壓的快速增加，會導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗。

??? 針對硬開關(guān)電路的上述損耗構(gòu)成，一個基本的無源無損緩沖電路一般都包含3個功能電路：

??? 1）開通緩沖電路；

??? 2）關(guān)斷緩沖電路；

??? 3）饋能電路。

??? 常用的方法是用電感（L）與功率管串聯(lián)，開通時電流只能從零增加，因而“零電流”使開通得到軟化；用電容（C）與功率管并聯(lián)，關(guān)斷時功率管兩端電壓只能從零增大，因而“零電壓”使關(guān)斷得到軟化；用二極管（D）經(jīng)過一定的拓撲網(wǎng)絡(luò)，在功率管開關(guān)過程中，將L，C中的存儲能量反饋到電源或饋送給負載。根據(jù)變換器電路的不同，電容可直接并聯(lián)于功率管，也可跨接于功率管輸出與負載之間，或跨接于功率管輸入端與電源正端之間。后兩種跨接方式都要求功率管關(guān)斷之前，電容C已充電到電源電壓的大小。饋能電路常用的方法有：當要求一個電容的充電終了電壓要大于電源電壓時，則電源可通過電感給電容充電，如忽略損耗，充電終了電壓將達到2倍電源電壓；如一個充好電的電容，在工作中需要改變電壓極性，則可通過串聯(lián)一個電感實現(xiàn)振蕩放電來完成；電感還可用于將一個電容的儲能轉(zhuǎn)移到另一個電容中去，當然這里還必須有二極管組成的電路配合；能量的存儲或轉(zhuǎn)移還可采用互感的方法等等。

??? 無源無損緩沖電路的三功能電路結(jié)構(gòu)特點，雖然無法象有源軟開關(guān)方案那樣，在超前或滯后主開關(guān)的控制時序下吸收能量或供給能量，以創(chuàng)造出真正的ZVS或ZCS條件，但它通過將開關(guān)期間的電壓與電流波形錯開，使二者的重疊面積最小，可以顯著降低前述1）和3）項開關(guān)損耗。雖然對2）項的開關(guān)器件內(nèi)寄生結(jié)電容的放電損耗，無法被無源無損緩沖電路所消除，但此種損耗較其它開關(guān)損耗低得多，對于提高整體效率作用較小。考慮到無源無損緩沖電路沒有引入輔助有源器件，和其它軟開關(guān)方案相比，它沒有增加額外的輔助有源器件損耗，因此，在同樣的開關(guān)損耗功率降低情況下，無源無損緩沖電路可以獲得更高的效率提高[4]。所以，無源無損緩沖電路被廣泛地應(yīng)用于PWM變換器中。

4??? 無源無損緩沖電路在DC/DC變換器中的應(yīng)用

??? 隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，無源無損緩沖電路不僅廣泛應(yīng)用于PWM DC/DC變換器，PWMAC/DC整流器[5]和PWM DC/AC逆變器^[6]中，而且與多電平變換器和PFC也有著密切的聯(lián)系^[7]。以下介紹兩種無源無損緩沖電路在PWM DC/DC變換器中的最新拓撲結(jié)構(gòu)。

4.1??? 再生式的無源無損緩沖電路

??? 圖2為文獻[8]提出的一種無源再生式的軟開關(guān)Boost變換器，它是傳統(tǒng)的L＋RCD復(fù)合型緩沖電路的改進。其改進點包括：

圖 2??? 再 生 式 無 源 無 損 緩 沖 電 路

??? 1）去掉放電電阻R；

??? 2）去掉專門的功率電感器L，巧妙地用一個同輸入電感L_p耦合的小功率繞組L_a代替。

??? 下面分析圖2電路的工作過程。分析中假設(shè)：

??? 1）輸入電壓V_i恒定，主電感L_p遠大于緩沖電感L_s，以致輸入電流I_s恒定；

??? 2）輸出電容C_o足夠大，以致輸出電壓V_o恒定；

??? 3）只考慮續(xù)流二極管D的反向恢復(fù)電流和主開關(guān)S的開關(guān)過渡時間，其它元器件均為理想的；

??? 4）初始狀態(tài)為S關(guān)斷，D開通，i_D=I_s。

??? 則對感性負載CCM工作情況，穩(wěn)態(tài)時每個周期可以分為以下6個模態(tài)，相應(yīng)的等效電路圖和主要波形圖如圖3及圖4所示。

(a)??? 模 態(tài)1(t₁～t₂)等 效 電 路

(b)??? 模 態(tài)2(t₂～t₃)等 效 電 路

(c)??? 模 態(tài)3(t₃～t₄)等 效 電 路

(d)??? 模 態(tài)4(t₄～t₅)等 效 電 路

(e)??? 模 態(tài)5(t₅～t₆)等 效 電 路

(f)??? 模 態(tài)6(t₆～t₇)等 效 電 路

圖 3??? 等 效 電 路 圖

圖 4??? 主 要 波 形 圖

??? 模態(tài)1（t₁－t₂）??? 在t₁時刻，S開通，電感電流i_Ls線性增大，流經(jīng)二極管D的電流i_D相應(yīng)減小，直到i_D=0，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，二極管D關(guān)斷，C_s開始放電，耦合繞組L_a的感應(yīng)電勢使C_s上的電勢自舉提高，直到電容C_s儲能完全釋放，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? 該模態(tài)與普通PWM Boost變換器開通狀態(tài)基本相似；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，S關(guān)斷，輸入電流I_s經(jīng)過電感L_s，D₁開始給C_s充電，直到v_Cs=V_o，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)5(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，二極管D導(dǎo)通，電流i_Ls線性減小，流經(jīng)二極管電流i_D相應(yīng)增大，直到i_D=I_s，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)6(t₆－t₇)??? 該模態(tài)與普通PWM Boost變換器的關(guān)斷狀態(tài)基本相似。

??? 可見，該無源無損緩沖型軟開關(guān)電路的關(guān)鍵在于：當S在ZCS下開通時，因L_p的耦合繞組L_a的感應(yīng)反電勢而發(fā)生電勢自舉，有利于電容C_s的儲能經(jīng)L_a向負載釋放；放電完畢的C_s又為S的關(guān)斷提供ZVS條件。

（a）原理圖

（b）簡化原理圖

圖5??? 具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路

4.2??? 具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路

??? 圖5（a）為文獻[9]提出的另一種新穎的具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路。從圖中可看出，其開通/關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)包含3個二極管D_a，D_c，D_s，一個耦合電感L₂和一個緩沖電容C_s。在開通期間，原邊電感L₁充當普通Boost變換器的升壓電感。3個二極管和原來的輸出二極管組成全橋，二次側(cè)電感L₂聯(lián)接在兩對串聯(lián)二極管之間。緩沖電容C_s與二極管D_s并聯(lián)。

??? 為了便于分析，將耦合電感看作勵磁電感Lm，漏感L_k和變比為1:n(n>1)的理想變壓器的聯(lián)合體，如圖5(b)所示。假設(shè)條件基本與3.1相同，且勵磁電流I_Lm為常數(shù)，初始狀態(tài)為：S開通，D_o關(guān)斷，v_Cs=V_o，則穩(wěn)態(tài)時，一周期有以下6個模態(tài)，相應(yīng)的等效電路圖和主要波形圖如圖6及圖7所示。

(a)??? 模態(tài)1(t₁～t₂)等效電路

(b)??? 模態(tài)2(t₂～t₃)等效電路

(c)??? 模態(tài)3(t₃～t₄)等效電路

(d)??? 模態(tài)4(t₄～t₅)等效電路

(e)??? 模態(tài)5(t₅～t₆)等效電路

(f)??? 模態(tài)6(t₆～t₇)等效電路

圖6??? 等效電路圖

圖7??? 主要波形圖

??? 模 態(tài)1(t₁－t₂)??? 在t₁時 刻 ， 主 開 關(guān)S關(guān) 斷 ，D_o導(dǎo) 通 ， 輸 入 電 流I_i由S線 性 地 切 換 到D_o， 同 時C_s

開始向負載放電，直到完全釋放，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D_s自然導(dǎo)通，由于耦合電感的匝數(shù)比n>1，感應(yīng)二次側(cè)電壓大于主側(cè)電壓，正的電勢差使得D_a導(dǎo)通，流經(jīng)電感L_k的電流i_Lk線性增大，i_o相應(yīng)減小，直到i_Do=0，轉(zhuǎn)到模態(tài)3；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，D_o自然關(guān)斷，輸入電流I_i的1/n經(jīng)D_a，L_k和D_s向輸出負載供電；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，主開關(guān)管S零電壓開通，流經(jīng)L_k的電流i_Lk減小，直到零，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)5(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，耦合電感L_k開始釋放能量，給C_s充電，直到v_Cs=V_o，同時向輸出負載反饋多余的能量;

??? 模態(tài)6(t₆－t₇)??? 當耦合電感L_k完全釋放能量，該模態(tài)類似于普通PWM Boost開通狀態(tài)。

??? 可見，該新穎的具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路的所有元器件的電壓應(yīng)力不超過輸出直流電壓V_o，而且能有效地提高變換器效率，明顯地擴展輸入電壓的范圍，從而在應(yīng)用于PFC中，它將是一種低價、有效的拓撲。

5??? 結(jié)語

??? 本文在解決硬開關(guān)存在的3種換流缺陷的基礎(chǔ)上，簡要地比較了有源緩沖電路、RCD緩沖電路、諧振變換器和無源無損緩沖電路等4種軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點，并提出了無源無損緩沖電路的結(jié)構(gòu)原理和一般實現(xiàn)方法，以及最近在PWM變換器、三電平逆變器、三電平整流器和三電平PFC中的最新應(yīng)用,重點介紹了無源再生式的軟開關(guān)變換器和具有最小電壓應(yīng)力的無源無損緩沖電路等兩種新穎的DC/DC變換器拓撲，簡要地分析了它們的工作原理和優(yōu)缺點，并總結(jié)了無源無損緩沖電路發(fā)揮的重要作用，從而說明無源無損緩沖電路已成為實現(xiàn)軟開關(guān)的重要技術(shù)之一，并被引起廣泛重視。