ZCS-PWM开关单元电路制造技术

本发明专利技术公开了一种ＺＣＳ－ＰＷＭ开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的发射极连接有一条谐振支路；支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与辅助开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的正极连接。主二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助开关管的发射极连接。基于这种电路可以得到一族直流变换器。本电路结构简洁，控制简单方便，功率器件的电压应力和电流应力均很低、效率高、电磁干扰小、工作可靠，能应用于高电压大功率场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开关电路，尤其涉及一种应用于开关型功率变换器的ZCS-PWM开关单元电路。
技术介绍
与功率场效应管(MOSFET)相比，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)导通压降较小，额定电压和电流密度很高，所以近几年来被更多的应用于高电压大功率场合。但是，采用IGBT做开关元件的硬开关PWM变换器在高电压大功率场合下存在一些缺点(1)由于IGBT开关速度相对较慢，因此变换器的工作频率不易提高，磁性元件的体积和重量也比较大；(2)由于功率电子器件开关状态的非理想化开关行为以及电路寄生与分布参数等的作用，导致功率电子器件在开关暂态中出现硬开关效应，即在开关过渡过程中，电压波形和电流波形不仅会出现高变化率的尖峰，而且两者还有很大的交叠区。对于IGBT而言，由于其关断时存在电流拖尾现象，因此关断损耗将更大，在高频率大功率场合下变换器的工作可靠性会大大降低。解决上述缺陷的有效方法是实现PWM变换器中所有IGBT的零电流开关(Zero-current-switching，简称ZCS)。国内外现有ZCS-PWM控制方案很多，虽然基本思路是一致的，即利用谐振元件实现电流过零，从而零电流开关的目的；通过辅助开关管打断谐振过程，实现了恒频控制，但是它们的性能还是有些区别。下面取最具代表性的几种技术方案进行分析(1)方案1辅助支路与主开关回路串联且谐振电感与功率管串联方案1提出的主电路拓扑如图1所示。当主开关管S1开通时，谐振电感Lr限制了电流的上升率，使得S1实现了零电流开通；谐振电感电流减小到零并且反向流动，S1的反并二极管D1导通，S1中的电流为零，此时关断S1，那么S1将是零电流关断。此外辅助开关管S2也是零电流开关。(2)方案2辅助支路与主开关回路并联且谐振电感与功率管串联方案2提出的主电路拓扑如图2所示。通过谐振电感Lr1、Lr2限制主开关管S1和辅助开关管S2开通时的电流上升率，实现零电流开通；谐振电感Lr1、Lr2中电流减小到零并且反向流动时，S1、S2的反并二极管D1、D2导通，当S1、S2中的电流为零，此时关断S1、S2，那么S1、S2将是零电流关断。(3)方案3辅助支路与主开关回路并联且谐振电感不与功率管串联方案3提出的主电路拓扑如图3所示。通过谐振电感Lr1、Lr2限制主开关管S1和辅助开关管S2开通时的电流上升率，实现零电流开通；谐振电感Lr1、Lr2中电流减小到零并且反向流动时，S1的反并二极管导通，S1中的电流为零，此时关断S1，那么S1将是零电流关断。此外辅助开关管S2也是零电流关断。上述方案都能实现主开关管和辅助开关管的零电流开关，但是存在一些缺点方案1的缺点主开关管S1与谐振电感Lr直接串联，使得主开关管中的电流应力非常大，通态损耗较大，而且选择开关管的定额增大，使得成本增加；此外Lr直接串联在主开关回路中，通态压降很大，影响了变换器效率的提高。方案2的缺点这种变换器的辅助支路与主开关回路并联，其工作不会增加主开关管的电压应力和电流应力，主开关管的电压应力和电流应力很小。但是谐振电感串联在主开关回路和辅助支路中，损耗较大。方案3的缺点这种变换器的辅助支路与主开关回路并联，并且谐振电感移到续流支路中，因此主开关管的电压应力和电流应力很小而且损耗较小。但是两个谐振电感的存在使得变换器的结构不太简洁，此外辅助开关管的电压应力和电流应力很大，并且在谐振电感反向谐振阶段承受非常大的反压。
技术实现思路
1、专利技术目的本专利技术的目的是提供一种效率高、损耗小、结构简单、能克服上述现有技术存在的缺陷的ZCS-PWM开关单元电路。2、技术方案为了达到上述的专利技术目的，实现本专利技术的第一种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的阴极与谐振电感连接，主开关管的发射极与辅助开关管的发射极之间设有一个主二极管；与辅助开关管的发射极连接的支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与辅助开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的正极连接。主二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助开关管的发射极连接。实现本专利技术的的第二种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，主开关管的发射极连接有一条支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的负极与谐振电感连接，主开关管的发射极与辅助开关管的发射极之间设有一个主二极管，该主二极管的阳极与主开关管的发射极连接，阴极与辅助开关管的发射极连接；与主开关管的发射极连接的一条支路并联有箝位二极管。箝位二极管的阴极与主开关管的发射极连接，阳极与辅助二极管的阳极连接。实现本专利技术的第三种方案的电路包括主开关回路和辅助支路，其中，功率回路包括主开关管和与主开关管反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管，辅助开关管的集电极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感和辅助二极管，辅助二极管并联有电容，辅助二极管的阳极与谐振电感连接，主开关管和辅助开关管的集电极之间设有一个主二极管，该主二极管的阳极与主开关管的集电极连接，阴极与辅助开关管的集电极连接；与辅助开关管的集电极连接的一条支路并联有一个箝位二极管。箝位二极管的阳极与辅助开关管的集电极连接，阴极与辅助二极管的阴极连接。本专利技术的电路吸收图3所示的方案3主电路拓扑的优点并进行了改进，得到一种新的ZCS-PWM开关单元电路。与现有的方案3的主电路相比，新的开关单元电路去除了一个谐振电感Lr1，使得实际工作中辅助开关管不再承受反压并且电流应力得以大大降低，并且主电路结构也得到了简化；由于二极管D1的反向恢复，其结电容与谐振电感Lr将发生串联谐振，从而会在n1点产生很大的负电位，使得主开关管和辅助开关管产生很大的电压尖峰。通过在n1和a点之间并联一个箝位二极管D3，使得n1点的电位被箝位在一个较小的负值，最终可以将主开关管和辅助开关管上的电压尖峰抑制在一个小到可以忽略的值上。基于这种新颖的ZCS-PWM开关单元电路，可以得到一族直流变换器，如图5所示。它们都能实现所有有源开关器件的零电流开关和所有无源开关器件的零电压开关，而且实现软开关方面的原理是相同的。3、有益效果本电路结构简洁，控制简单方便，功率器件的电压应力和电流应力均很低、效率高、电磁干扰小、工作可靠，能应用于高电压大功率场合。四附图说明图1是现有ZCS-PWM控制方案1提出的主电路拓扑结构示意图；图2是现有ZCS-PWM控制方案2提出的主电路拓扑结构示意图；图3是现有ZCS-PWM控制方案3提出的主电路拓扑结构示意图；图4是本专利技术的ZCS-PWM开关单元电路结构示意图；图5是基于ZCS-PWM开关单元电路构成的变换器结构示意图，其中，(a)Buck.(b)Boost.(c)Buck-boost.(d)Cuk.(e)Sepic.(f)Zeta；图6是基于ZCS-PWM开关单元电路的buck变换器结构示意图；图7是buck变换器各工作模态对应的等效电路；图8是本专利技术的ZCS-PWMbuck变换器在一个工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＺＣＳ－ＰＷＭ开关单元电路，包括主开关回路和辅助支路，其中，主开关回路包括主开关管（Ｓ↓［１］）和与主开关管（Ｓ↓［１］）反并联的二极管，辅助支路包括辅助开关管（Ｓ↓［２］），辅助开关管（Ｓ↓［２］）的发射极连接有一条谐振支路，该支路包括相串联的谐振电感（Ｌ↓［ｒ］）和辅助二极管（Ｄ↓［２］），辅助二极管（Ｄ↓［２］）并联有电容（Ｃ↓［ｒ］），辅助二极管（Ｄ↓［２］）的阴极与谐振电感（Ｌ↓［ｒ］）连接，其特征在于，主开关管（Ｓ↓［１］）的发射极与辅助开关管（Ｓ↓［２］）的发射极之间设有一个主二极管（Ｄ↓［１］）；与辅助开关管（Ｓ↓［２］）的发射极连接的支路并联有一个箝位二极管（Ｄ↓［３］）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，谢少军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]