一種新穎的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的分析與工程設(shè)計(jì)

 摘要：詳細(xì)分析了一種新穎的具有較強(qiáng)工程實(shí)用價(jià)值的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的工作過(guò)程，并給出了其設(shè)計(jì)方法。一臺(tái)400V輸入，110V/10A輸出的帶有該電路的Buck變換器驗(yàn)證了無(wú)源無(wú)損緩沖電路的分析和工程設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：緩沖電路；無(wú)源；無(wú)損；諧振

1 概述

在各種形式的開(kāi)關(guān)變流器中，為了減小功率管的電流、電壓及熱應(yīng)力，降低損耗，提高變流器效率，減小電磁干擾，提高開(kāi)關(guān)頻率和增加變流器功率密度，廣泛采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。作為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一種，無(wú)源無(wú)損緩沖電路通過(guò)在主電路中附加電容、電感及二極管等無(wú)源元器件，使主開(kāi)關(guān)具有零電壓、零電流開(kāi)關(guān)條件，并且由于能將緩沖電路上的儲(chǔ)能全部傳遞給負(fù)載，從理論上講緩沖電路是沒(méi)有損耗的，這也有利于提高變換器的效率。

    圖1中所示的是一種新穎的無(wú)源無(wú)損緩沖電路拓?fù)洌�可分別應(yīng)用于Buck電路和Boost電路，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率和中大功率場(chǎng)合。該緩沖電路能使主開(kāi)關(guān)S在零電流開(kāi)通（ZCON）和零電壓關(guān)斷（ZVOFF）條件下工作，極大降低了開(kāi)關(guān)管在這種同時(shí)處于高電壓和大電流換流條件下的電路中所承受的應(yīng)力，而且還能有效地抑制主二極管D的反向恢復(fù)電流。這種緩沖電路拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，使用的元器件數(shù)目較少，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。2無(wú)源無(wú)損緩沖電路工作過(guò)程分析以Buck電路為例，圖2和圖3分別描繪了該無(wú)源無(wú)損緩沖電路各階段的工作過(guò)程與相應(yīng)波形。

圖2

    階段1〔t0，t1〕——零電流開(kāi)通t0時(shí)刻S導(dǎo)通，由于緩沖電感Lr的存在，開(kāi)關(guān)管中的電流緩慢上升，S獲得了零電流開(kāi)通（ZCON）條件。該階段中，輸入電壓直接施加在Lr上，其電流線性下降，因此S中的電流線性上升。另一方面，階段1也是D進(jìn)行反向恢復(fù)的過(guò)程。由于Lr的存在，極大抑制了D的反向恢復(fù)電流，并使反向恢復(fù)過(guò)程中的電壓尖峰大大削弱。在分析中不考慮反向恢復(fù)過(guò)程，t1時(shí)刻當(dāng)Lr中的電流下降到零時(shí)D截止，階段2開(kāi)始。

    階段2〔t1，t2〕——Cr復(fù)位t1時(shí)刻Cr上電壓為Vin，Cs上電壓為0，通過(guò)Lr的電流為0。在由S，Lr，Cs，Ds2，Cr構(gòu)成的諧振回路中，Cr中的電荷將通過(guò)Cs和Lr釋放掉，Cs上電壓開(kāi)始上升，D開(kāi)始承受反向壓降，其變化規(guī)律滿足式（1），即

vD=Vin－vCr＋vCs    （1）

t2時(shí)刻Cr上的電壓降為0，為S的零電壓關(guān)斷（ZVOFF）創(chuàng)造條件，這時(shí)通過(guò)S的電流達(dá)到最大值，即

同時(shí)Lr上的電流也達(dá)到反向最大值。

階段3〔t2，t3〕——Lr復(fù)位t2時(shí)刻當(dāng)Cr上的電壓降為0后，Ds1導(dǎo)通，此時(shí)Lr上的電流最大。Lr和Cs通過(guò)Ds1及Ds2構(gòu)成諧振回路，存貯在Lr中的能量通過(guò)諧振釋放到Cs中，Cs上的電壓繼續(xù)上升。由于Lr僅同Cs進(jìn)行諧振，因此階段3的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于階段2。t3時(shí)刻當(dāng)Lr中電流降為0，Ds1及Ds2截止，諧振過(guò)程結(jié)束。Cs上的電壓達(dá)到最大值，即

在此階段中，D所承受反向電壓的變化規(guī)律為

vD=Vin＋vCs&nbs

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