三电平ZVS有源箝位PWM在DC-DC降压变换器中的应用研究

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"这篇论文研究了带有三电平ZVS有源箝位的DC-DC降压转换器,采用零电压开关(ZVS)、有源箝位和恒定频率脉宽调制(PWM)技术。同时介绍了其他采用三电平开关单元的ZVS直流-直流转换器拓扑,并对其稳态增益进行了分析。分析表明,这种降压-降压转换器具有独特的特性,值得深入研究。所有引入的拓扑结构的一个共同特点是,理论上降低了活动半导体上的电压应力至两电平转换器的50%。因此,该降压-降压转换器的开关器件承受的阻断电压仅为ZVS两电平降压转换器的一半。转换器的稳态分析是根据操作描述进行的。" 本文主要探讨了电力电子领域中的一个创新设计——三电平零电压开关(ZVS)有源箝位DC-DC降压转换器。这种转换器结合了ZVS、有源箝位和PWM技术,旨在提高效率和降低功率元件的应力。ZVS技术允许开关器件在零电压条件下切换,从而减少了开关损耗,提高了转换器的效率。有源箝位电路则进一步帮助控制开关器件上的电压峰值,防止过压损坏。 在论文中,作者还对比分析了其他采用三电平开关的ZVS直流-直流转换器拓扑。通过稳态增益分析,他们发现这些拓扑结构都有助于减少电压应力,尤其是在活动半导体器件上。这种减小的电压应力不仅降低了功率损耗,还延长了半导体器件的使用寿命。 三电平降压-降压转换器的独特之处在于其理论上的电压应力减半。这意味着与传统的两电平ZVS降压转换器相比,其开关器件只需要承受一半的阻断电压。这一特性对于高电压应用尤其重要,因为它可以显著降低对开关器件规格的要求,从而降低成本和体积。 文章中,作者进行了稳态分析,这通常包括对转换器工作模式的详细描述,如连续导通模式(CCM)和断续导通模式(DCM)的分析,以及在不同负载和输入电压条件下的性能评估。这样的分析有助于设计者理解和优化转换器的性能,并为实际应用提供指导。 这篇论文为电源开发领域的工程师和研究人员提供了深入理解三电平ZVS有源箝位DC-DC降压转换器的宝贵资料,有助于推动高效、低损耗的电源转换技术的发展。
2019-07-23 上传
ZVS即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术,或称软开关技术,小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。接下来将详解介绍zvs原理及如何自制zvs的升压电路图以及它的操作步骤。 ZVS经典原理: 1. 上电瞬间,电源电压流经R1,R2,经过ZD1,ZD2稳压二极管钳位在12V后分别送入MOS1,MOS2的GS极,因此两个MOS管同时开通。 2. 因为元件参数的离散性(例如:MOS管GS钳位电压的离散性、MOS管本身跨导参数的离散性、变压器初级绕组不严格对称、走线长度差异等),导致两管DS电流在上电瞬间就不相同。假设下方的MOS管MOS2流过的电流稍大。即IL3》IL2。因为L2,L3是在同一磁芯上绕制,本身存在磁耦合,所以,对磁芯的励磁电流为IL2,IL3之和。之前提到IL3》IL2,而且从抽头看去,IL2,IL3的电流方向相反,所以对磁芯的励磁电流为Ip1=IL3-IL2。这样就可以等效为仅有L3线圈产生励磁作用(有一部分抵消掉L2的励磁)。明白这点以后,继续往下分析。 3. 见图1,在上电瞬间,L2,L3中的等效励磁电流Ip1用红色线条表示,因为具有相同的磁路,Ip1将在L2上产生一个互感电流,图中用蓝色线条表示,L2 L3与C1构成并联谐振,这个互感电流的方向同IL2相反,如此正反馈造成的结果是IL2越来越小,最终可单纯看做只有L3参与励磁。 4. 与此同时,B点电压升高,D1截止,C点电压保持12V,MOS2继续保持开通。因为MOS2开通时VDS很小,A点近似接地,D2导通,将D点电位强行拉低至0.7V左右,MOS1失去VGS而截止。 5. 随着时间推移,L3对磁芯的励磁最终达到磁饱和,大家注意,此时蓝色线条的电流因磁芯饱和失去互感刚好减到0,MOS1的DS上电压为零。而L3失去电感量而近似于一个仅几mΩ的纯电阻,瞬间大电流全部叠加在MOS2的导通电阻Ron上,使A点电位瞬间升高,D2截止,D点电位恢复至12V,MOS1获得VGS而导通(在VDS=0的情况下导通,故称ZVS)。继而B点近似接地,C点电压降到0.7V,MOS2截止,MOS1保持导通。当L2励磁达到饱和时电路状态再次发生翻转,重复第4过程。 6. 整个过程中,翻转的时间由谐振电容C1的容量和L2 L3共同决定,因为有C1构成谐振,初级电压波形呈完美正弦波,谐波分量大大减小,漏感的影响不复存在,因此变比等于匝比。L1为扼流电感,利用电感电流的不可突变特性,保证磁饱和瞬间MOS管的DS极不会流过巨大浪涌而损坏。这也是为什么不接此电感或者感量太小时,电路空载电流会增大,而且MOS管发热严重的原因。 因为利用了磁饱和原理,所以在磁芯工作在滞回线1,3象限的饱和临界点之间,磁芯的储能作用得以最大发挥,传递功率相当大。