1.3 ZCS、ZVS、ZCSPWM、ZVTPWM變換器軟開關(guān)技術(shù)簡介

1.3.1ZCS變換器

如圖1-5（a）所示，在開關(guān)管支路上串聯(lián)電感，是ZCS（ZeroCurrentSwitching）的基本思路。開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，抑制di/dt，消除開關(guān)管上的電壓U、電流i的重疊時(shí)間，從而不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。為確保開關(guān)器件的安全，在開關(guān)管關(guān)斷之前，串聯(lián)電感上的能量要釋放為零（電流為零）。

圖1-5（b）是ZCS型準(zhǔn)諧振變換器的基本結(jié)構(gòu)。該方案利用串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)ZCS導(dǎo)通，諧振時(shí)電感放電，再利用反并聯(lián)二極管進(jìn)行關(guān)斷。在反向?qū)ǖ拈_關(guān)器件上串聯(lián)諧振電感Lr，外側(cè)并聯(lián)諧振電容Cr，形成零電流諧振開關(guān)。圖1-5（c）為電壓電流波形，t0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通，由于Lr的初始電流為零，開關(guān)動(dòng)作屬于ZCS。

諧振開關(guān)在t0～t4期間有一連串動(dòng)作，中途不能停止，輸出電壓為UC的平均值，以固定導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行控制。該變換器沒有開關(guān)器件和續(xù)流二極管之間的短路狀態(tài)，導(dǎo)通和關(guān)斷都屬于ZCS型。

利用ZCS方式使器件導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)器件的極間電容上積蓄的電荷都短路掉，能量沒有充分利用。因此，一般ZCS只用在500kHz以下開關(guān)動(dòng)作的場合。

1.3.2 ZVS變換器

如圖1-6（a）所示，在開關(guān)管上并聯(lián)電容，是ZVS（Zero VoltageSwitching）的基本思路。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，抑制du/dt，消除u、i重疊時(shí)間，避免產(chǎn)生開關(guān)損耗。可在任意時(shí)刻以ZCS關(guān)斷。開關(guān)管導(dǎo)通之前，并聯(lián)電容上的電荷要放完，以確保開關(guān)管的安全。

圖1-6（b）是ZVS準(zhǔn)諧振變換器的基本結(jié)構(gòu)。這種方式是利用并聯(lián)電容使開關(guān)器件ZVS導(dǎo)通，由于諧振電容放電，并通過串聯(lián)二極管導(dǎo)通而工作。在開關(guān)管VT上并聯(lián)諧振電容Cr，其外側(cè)串聯(lián)諧振電感Lr，構(gòu)成零電壓諧振開關(guān)。圖1-6（c）是其電壓電流波形。

該變換器的關(guān)斷時(shí)間是固定的，通過控制頻率可以控制輸出電壓Uo。準(zhǔn)諧振ZVS實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通條件是，諧振電壓的峰值高于電源電壓。

諧振ZVS開關(guān)器件的極間電容是諧振電路的一部分，不造成損耗，適用于500kHz以上的高頻動(dòng)作，但負(fù)載范圍窄，只適用固定負(fù)載或接近于固定的負(fù)載。

1.3.3 ZCSPWM變換器

當(dāng)外部電路電流流經(jīng)圖1-7（a）所示二極管VD時(shí)，開關(guān)管VT處于零電壓、零電流狀態(tài)。此時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷開關(guān)管VT，都是ZVS、ZCS動(dòng)作。外部電路由LC無源器件、輔助開關(guān)等諧振電路組成，也有同時(shí)使用電感和電容的情況。諧振型變換器兼用了反并聯(lián)二極管的ZCS和ZVS的功能。

圖1-7（b）所示為諧振型ZCSPWM降壓式變換器的主電路及波形圖，圖中VT1（g）和VT（g）分別表示輔助開關(guān)管VT1和主開關(guān)管VT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UDS、UDS1和分別為VT、VT1和諧振電容Cr兩端的電壓為流過VT和諧振電感Lr的電流。與諧振式ZCS相比，多了一個(gè)與諧振電容Cr串聯(lián)的輔助開關(guān)管VT1，主開關(guān)管VT與諧振電感Lr串聯(lián)。設(shè)t＜t0時(shí)。主開關(guān)管VT和輔助開關(guān)管VT1均關(guān)斷，t=t0時(shí)，令主開關(guān)管VT導(dǎo)通。一周內(nèi)有6種運(yùn)行模式，見表1-2。

Buck型ZCS-PWM變換器的主開關(guān)最大電壓鉗定在Ui，最大電流Imax=Io+Ui/Zn發(fā)生在模式2準(zhǔn)諧振階段，為特征阻抗。

ZCS-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)是：①主開關(guān)器件及輔助開關(guān)器件零電流關(guān)斷；②恒頻控制；③主開關(guān)電壓應(yīng)力小；④續(xù)流二極管VD零電壓關(guān)斷。缺點(diǎn)是：①主開關(guān)電流應(yīng)力大；②諧振電感與主開關(guān)串聯(lián)，滿足零電流開關(guān)條件的電源電壓，負(fù)載電流變化范圍窄；③續(xù)流二極管VD電壓應(yīng)力等于2Ui; ④諧振網(wǎng)絡(luò)未吸收主開關(guān)管結(jié)電容能量，關(guān)斷時(shí)有寄生振蕩。

1.3.4 ZVTPWM變換器

圖1-8所示為ZVTPWM變換器的主電路結(jié)構(gòu)。主開關(guān)管VT導(dǎo)通前，使輔助開關(guān)管VT1導(dǎo)通，Lr、L有電流通過。VD關(guān)斷后，由于LrCr諧振，Cr放電。放電結(jié)束后，使VT以ZVS導(dǎo)通。此后，使VT1關(guān)斷，Lr的電流經(jīng)過VD1返回電源。任意時(shí)刻使VT關(guān)斷，由于Cr存在，VT是以ZVS關(guān)斷的。

優(yōu)點(diǎn)：VT、VD都是軟開關(guān)動(dòng)作，耐壓和電流有效值與硬開關(guān)PWM一樣。

缺點(diǎn)：VT1導(dǎo)通是軟開關(guān)，而關(guān)斷是硬開關(guān)。因電流有效值小，使用高速器件更好。

主開關(guān)器件使用IGBT，開關(guān)頻率為100kHz, 600W的升壓DC-DC變換器，效率可達(dá)97.3%。增加電容和二極管，輔助開關(guān)器件的關(guān)斷也可實(shí)現(xiàn)ZVS。

1.3.5 ZCTPWM變換器

ZCSPWM變換器的諧振電路與主電路并聯(lián)，使主電路的電流不通過諧振電感，則主開關(guān)器件的峰值電壓和電源電壓相等，不會(huì)增加諧振電感引起的導(dǎo)通損耗，效率與硬開關(guān)PWM相同。

圖1-9所示為ZCTPWM變換器的結(jié)構(gòu)圖。開關(guān)動(dòng)作時(shí)，諧振的反向電流提供給主開關(guān)管VT和續(xù)流二極管VD。VD導(dǎo)通期間，Cr的電壓是左正右負(fù)。

先觸發(fā)輔助開關(guān)管VT1導(dǎo)通，通過VT1、VD流過諧振電流，諧振電流反方向時(shí)，VT1反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，使VD電流為零。在這種狀態(tài)下觸發(fā)VT導(dǎo)通，Cr的電壓為零；要關(guān)斷時(shí)，先觸發(fā)VT1導(dǎo)通，通過VT、VT1驅(qū)動(dòng)諧振電路，諧振電流反向時(shí)，VT1、VT的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，此時(shí)使VT關(guān)斷。VD導(dǎo)通后，Cr被充電，左正右負(fù)。

優(yōu)點(diǎn)：主、輔器件和續(xù)流二極管都是ZCS動(dòng)作，輔助器件關(guān)斷時(shí)要求不是很嚴(yán)格。

缺點(diǎn)：主器件的電流峰值大。

主器件采用MCT、輔助器件使用IGBT,20kHz、300V、5kW的DC-DC變換器的效率達(dá)到98.5%。