一种新型的有源软开关变换器

褚恩辉， 叶树仁， 王遨宇

(东北大学信息科学与工程学院，沈阳市 110004)

一种新型的有源软开关变换器

褚恩辉， 叶树仁， 王遨宇

(东北大学信息科学与工程学院，沈阳市 110004)

为实现一种结构简单，高效，高频，低的电压应力，简于控制的软开关升压变换器，提出一种有源辅助谐振换流新型软开关变换器，即通过采用简单的有源辅助谐振网络实现了主、辅开关管的软开关，主开关管实现了零电压零电流开通、零电压关断，开关管电流电压应力小，辅助开关管实现了零电压零电流关断、零电流开通，特别适用于以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件的高电压大功率场合。本文以其在Boost变换器的应用为例，分析了他的工作原理，软开关实现条件，给出了谐振参数的设计方法，该软开关设计思想可以推广到其他基本的DC-DC变换器中。制作了一个使用IGBT的3kW－16kHz的实验样机，通过仿真和实验验证了该变换器的有效性。

辅助谐振换流;有源DC-DC变换器;软开关

0 引言

硬开关PWM变换器以其拓扑结构简洁、控制方式简单、工作频率恒定以及输出调节特性好而得到广泛应用。在高电压、大功率应用场合，功率器件承受的电压、电流应力大，开关损耗大，并且电压尖锋和电流浪涌带来的电磁干扰可能影响变换器的正常工作。为了有效地解决这些问题，近年来国内外提出了很多软开关技术［1－8］，如谐振开关技术、零开关技术和零转移技术等。其中零转移变换器由于采用有源辅助谐振网络技术［9－14］，利用辅助开关控制谐振元件的谐振过程，在保持PWM斩波电路优点的同时实现了软开关，减少了开关损耗，成为电力电子领域的研究热点。尽管目前出现了许多新型斩波电路拓扑，但仍存在一些不足，如拓扑结构较复杂、开关管电压电流应力大、辅助管不能实现软开关、存在较大环流等。文献［15］虽可以解决上述问题，但回路需要增加3个辅助开关管和一个互感器，拓扑结构过于复杂，不易于控制，对变换效率提高和小型化不利。

本文提出一种新型的有源软开关变换器，它通过采用简单的有源辅助谐振网络实现了主、辅开关管的软开关，开关管的电流电压应力小。这一新的谐振网络仅增加了一个辅助开关管，使其拓扑结构较为简单，易于控制。本文对新的软开关拓扑结构进行了详细的分析，并通过实验验证了其可行性。

1 电路拓扑与工作原理

1.1回路结构

新型有源辅助谐振变换器主电路拓扑如图1所示。S1、D1、Lm和Co分别为回路的主开关管、输出整流二极管、输入滤波电感和输出滤波电容，DS1是主开关管S1的反并联二极管。有源辅助谐振网络由辅助开关管S2，谐振电感Lr、谐振电容CS、谐振电容Cr和二极管D2组成，DS1是辅助开关管S2的反并联二极管。

1.2 基本工作原理

图2和图3分别给出了变换器工作时的主要波形和模式图。图中 vg－S1、vg－S2分别为主开关管 S1和辅助开关管S2的驱动波形。

为简化分析，做如下假设:1)电路中所有器件都是理想的，输入滤波电感Lm足够大，用恒流源ILm代替。2)输出滤波电容Co足够大，用恒压源Vo代替。设t=t0以前，主开关管S1和辅助开关管S2关断，谐振电容CS的电压为输出电压Vo，谐振电容Cr的电压为零。一个开关周期内有9种运行模式，如图3所示。

①模式1:［t0～t1］如图3(a)所示。在t0时刻，辅助管S2开通，Lr和Cr发生谐振，流过输出整流二极管D1的电流iD1开始向Lr换流，在Lr的作用下，S2为ZCS开通。Lr的电流iLr从零开始上升，D1的电流从ILm开始减小.当D1的电流减小到零时，自然地ZCS关断。在这一模式中有

②模式2:［t1～t2］如图3(b)所示。t1时刻，iD1=0，整流二极管D1零电流关断，Lr与CS、Cr发生谐振，CS的电压逐渐降低，Cr的电压VCr继续上升，在这一模式中有:

图3 变换器模式图Fig.3 Topological states of converter

模式2的工作时间t12可由式(9)确定，由于式(9)为一求t12的超越方程，可通过数值解析来确定。

③模式3:［t2～t3］如图3(c)所示。t2时刻，VCs=0，DS1自然导通，Lr与 Cr发生谐振，Cr的电压VCr继续上升，当 iLr谐振下降 ILm时，这个时间段结束。在DS1自然导通期间的任何时刻开通主开关管S1均可实现主开关管S1零电压零电流开通。在这一模式中有

⑤模式5:［t4～t5］如图3(e)所示。t4时刻，当iLr谐振下降到零时，即流过主开关管S1的电流大于ILm时，辅助开关管的反并联二极管DS2导通，Lr与Cr发生反向谐振，iLr从零谐振到负的最大值再回到零，VCr由VCrmax变为－VCrmax。在DS2导通期间的任何时刻关断辅助开关管S2均可实现辅助开关管S2零电压零电流关断。模式5的工作时间t45为

⑥模式6:［t5～t6］如图3(f)所示。t5时刻，当反向谐振电流iLr为零时，DS2零电流关断，主开关管S1的电流为滤波电感Lm的电流ILm，Cr的电压VCr保持－VCrmax不变，电路恢复到传统的 PWM工作状态

⑦模式7:［t6～t7］如图3(g)所示。t6时刻，主开关管S1关断，CS的电压VCs从零开始线性上升，S1为ZVS关断。在这一模式中有

当CS的电压VCs=Vo－VCrmax时，这个时间段结束。模式7的工作时间t67为

⑧模式8:［t7～t8］如图3(h)所示。t7时刻，VCs=Vo－ VCrmax，D2导通，Lm的电流 ILm通过 Cr、D2流向负载，VCs继续上升，Cr开始下降，在这一模式中有

当CS的电压VCS上升到输出电压Vo，即Cr的电压VCr下降到零时，这个时间段结束。模式8的工作时间t78为

⑨模式9:［t8～t9］如图3(i)所示。t8时刻，CS的电压VCs下降到输出电压Vo时，即Cr的电压VCr下降到零时，D2关断，输出整流二极管D1开通，电路又回到传统的PWM工作状态。t9时刻，辅助开关管S2开通，电路又重复上一个周期的工作。

2 软开关条件分析

2.1 主开关S1软开关条件分析

要实现主开关管S1的零电压零电流开通，关键在于模式1、模式2和模式3。模式1实现了输出整流二极管D1的零电流软关断，而D1的关断又为Lr与Cr、Cs的谐振创造了条件。在模式2，要实现S1零电压零电流开通必须保证VC1在S1开通之前从Vo谐振到零并在DS1导通模式3期间接通S1，需要满足以下条件，即

式中:tS1on为辅助开关管S2开通时刻到主开关管S1开通时刻的延迟时间。

要实现主开关管S1的ZVS关断需要满足下面条件，即

式中:tS1off为辅助开关管S2开通时刻到主开关管S1关断时刻的延迟时间。

2.2 辅助开关管S2的软开关条件分析

要实现辅助开关管S2的零电压零电流关断，必须在S2的反并联二极管DS2导通期间关断S2，即需要满足下面条件，即

式中:tS2off为辅助开关管S2脉冲宽度。

要实现辅助开关管S2的零电流开通，关键在于模式7和模式8，需满足下面条件，即

式中:tS2on为主开关管S1关断时刻到辅助开关管S2开通时刻的延迟时间。

3 有源谐振网络参数的设计

在设计谐振网络参数时，输入电压VS=200 V，输出电压Vo=400 V，输出最大容量Pmax=3 kW，输出容量范围Po=0.78 kW～3 kW，输入滤波电感Lm=(1.024 μH，0.4 Ω)，输出侧平滑电容 Co=8 200 μF。

图4为利用上述参数，在输出容量Po=3 kW时的硬开关电路的输入滤波电感ILm电流的仿真波形。从图中可知ILm电流的最大值ILm－max=16.7 A，ILm电流的最小值ILm－min=11.7 A，占空比D=0.48。

1)谐振电容CS

2)谐振电感Lr和主谐振电容Cr

辅助开关S2零电流开通后，有源辅助谐振回路开始工作(模式1～模式5)。在确定Lr和Cr时要综合考虑以下7点:①辅助回路的全部工作时间(模式1～模式5的工作时间);②辅助开关管S2开通时的di/dt(模式1);③主开关管S1开通时的dV/dt(模式2);④二极管D2的最大电压(谐振电压+输出电压);⑤谐振电感电流iLr的最大值;⑥谐振电感电流iLr的最小值;⑦二极管D2的残存电压(模式6)。

图4 输出容量3 kW时的ILm电流波形Fig.4 Lmcurrent waveforms under Po=3 kW

4 实验结果及特性评价

基于上述电路拓扑和分析，制作了一台16 kHz、3 kW IGBT原理样机。输入电压VS=200 V，输出电压Vo=380 V，输出容量范围Po=1～3 kW，开关管S1、辅助开关管S2采用三菱CM75DU－24H模块，输出D1采用高效率高速整流二极管(东芝30JL2C41)，D2采用高耐压超高速软恢复二极管(日立DFM30F12)，输入滤波电感Lm=1.024 mH，谐振电感Lr=7.6 μH(日本IPEC HD3729－0808R)，谐振电容Cr=121 nF(日本指月电机MIC－ST)，谐振缓冲电容CS=33 nF(日本Nichicon XD)，输出平滑电容 Co=8 200 μF(电解电容)。

4.1 开关管和二极管的波形评价

图5(a)、(b)、(c)分别是在输出容量3kW时，主开关管S1、辅助开关管S2和输出整流二极管D1开通、关断时的电压与电流的实验波形。从波形中可以看到主开关管和输出整流二极管没有电压和电流尖峰，并且di/dt，dV/dt小，减小了开关管的电压和电流应力，S1为零电压零电流开通、零电压关断，S2为零电压零电流关断、零电流开通，Do为ZVS开通、ZCS关断。实验结果与前面的关断时刻t6，若S1关断时的的理论分析结果相一致。

图5 输出容量Po=3 kW时的实验波形Fig.5 Experimental waveforms under Po=3 kW

从图5(c)可知，辅助开关管S2关断时，其电压发生高频震荡现象，为了抑制S2关断时电压高频震荡现象，在原回路中插入箝位二极管DC，如图6所示。当S2的电压高于输出电压380 V时，箝位二极管DC开通，可有效地抑制S2关断时的震荡峰值电压。图7为插入箝位二极管DC后的S2开通与关断时的电压、电流波形。比较图5(c)和图7可知，没有插入箝位二极管DC时的S2峰值电压可达900 V高电压，相反插入箝位二极管DC时的S2峰值电压被抑制在输出电压380 V，可有效地抑制辅助开关管开S2关断时的电力损失。

图6 带箝位二极管DC的新型有源辅助谐振变换器Fig.6 New Active Assisted Resonant Converter with insertion clamping diode DC

图7 带箝位二极管DC时的S2开通、关断时的波形Fig.7 Switch S2waveforms and state plane when insertion clamping diode DC

4.2 效率特性评价

图9给出了相对于实验样机输出容量Po的带箝位二极管、不带带箝位二极管的软开关变换器和硬开关变换器(开关管S1的漏源加RC吸收)的综合实测效率特性曲线图。可以看出在很宽的输出负载范围内，本软开关变换器可获得较高的效率，并且带箝位二极管的变换效率较高，在额定输出容量(3 kW)时的效率为97.8%。该变换器在高输出容量范围内具有很高的电力变换效率特性。

图8 效率曲线Fig.8 The curve of efficiency

5 结论

本文构造了一种新型有源辅助谐振换流软开关变换器电路拓扑，详细分析了该变换器的工作原理，给出了软开关实现条件和谐振网络的参数设计。通过理论分析和在3 kW原理样机的实验研究得出如下结论:1)通过采用简单的有源辅助谐振网络实现了开关管的软开关，消除了电压和电流交叠现象、降低了开关损耗;2)di/dt，dV/dt小，减小了开关管的电压和电流应力，同时也解决了硬开关PWM变换器引起的EMI问题、输出整流二极管的反向恢复问题;3)在很宽的负载范围内，零电流、零电压开关条件均可以得到保证;4)在3 kW原理样机上得到97.8%的实测高效率。该电路适宜大中功率的软开关变换器。

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(编辑:于智龙)

A novel active soft switching converter

CHU En-hui， YE Shu-ren， WANG Ao-yu
(College of Information Science＆ Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

In order to realize a simple topology，high efficiency and frequency，low voltage stress，easily controlled soft switching boost converter，a novel soft switching converter with active assisted resonant commutation is presented in the paper.Soft switching of the main switch and auxiliary switching can be achieved by using active assisted resonant network.The proposed converter has such advantages as zero-voltage and zero-current turn-on and zero-voltage turn-off for the main switch without increasing voltage and current stress，zero-voltage and zero-current turn-off and zero-current turn-on for auxiliary switching.It is very attractive for high power application where insulated gate bipolar transistor(IGBT)is predominantly used as the power switch.Its operation principle was analyzed through its application to the boost converter.The condition of soft switching and the design considerations were analyzed in detail.The novel soft switching cell can be also used in other basic DC-DC converter.A 3kW-16kHz prototype which used IGBT was made.The effectiveness of the proposed converter is confirmed by the simulation and experimental results.

assisted resonant commutation;active DC-DC converter;soft switching

TM 464

A

1007－449X(2011)05－0072－06

2009－05－05

教育部归国留学人员科研启动基金;中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(N100404015);国家自然科学基金(60974141)

褚恩辉(1966—)，男，博士，副教授，研究方向为先进电力电子及应用，高频软开关电力变换系统及控制方式，先进电机控制方式;

叶树仁(1983—)，男，硕士研究生，研究方向为软开关功率变换器拓扑;

王遨宇(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为软开关功率变换器拓扑。