单位文秘网 2022-02-24 08:20:13 点击: 次
[摘 要] 为了减少电力电子电路中器件的开关损耗而提出的软开关技术,可以大大减少电力电子器件在开通和关断瞬间电压与电流的重叠时间,从而降低开关损耗和开关噪声,同时抑制电压或电流过冲的发生,进一步提高开关频率。软开关技术主要经历了准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路等几个发展历程,本文阐述了这些基本电路的工作原理和软开关技术在现代电力电子控制电路中的应用以及软开关技术的最新发展动态。
[关键词] 软开关 零电压开关 零电流开关 PWM控制
引言
现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展,必然要求开关频率不断提高。在软开关技术[1]出现之前,电力电子装置中通过控制门极来控制开关管的开通和关断,在此过程中,开通电压或关断电流相当大,这种被称之为硬开关的工作方式,当开关频率很高时,会造成很大的开关损耗,而且开关过程中电流和电压的变化率很大,产生严重的电磁干扰,给电路造成严重的噪声污染,严重制约电力电子器件的发展。而软开关技术的出现很好地解决了这一系列问题。
所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通(或关断),在零电流条件下关断(或导通)。和硬开关工作不同,理想的软关断过程是电流先降到零,电压缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零,解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零,电流缓慢上升到通态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容的电压亦为零,解决了容性开通问题。同时,开通时,二极管反向恢复过程已经结束,因此二极管反向恢复问题不存在。
软开关电路是基于硬开关电路的基础上增加了小电感、电容等谐振器件,构成辅助换流网络,在开关过程前后引入谐振过程,开关在其两端的电压为零时导通,或使流过开关的电流为零时关断,所以软开关技术也称为谐振开关技术。这种方式使开关条件得以改善,降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声,从而提高了电路的效率,因此软开关技术在近些年得到了快速的发展。
1、软开关基本电路的分析
软开关电路根据发展历程可分成三类:一类是以谐振技术为代表的准谐振电路,一般采用变频控制(PFM);第二类是零开关PWM电路;第三类是零转换PWM电路。
1.1准谐振电路
零电压零电流准谐振电路拓扑结构是最先出现的软开关电路[2],它能够通过谐振来整定电压和电流的波形,使大电压和大电流不能同时出现,这样就大大减少了开关应力和功率损耗。
电路中所增加谐振电感Lr和谐振电容Cr,并与电路中的滤波电容C和滤波电感L相比要小得多。当软开关电路中开关关断后,谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振,电路中电压或电流的波形类似于正弦半波。开关两端的电压在开通前就已经降为了零。
1.2零开关PWM电路
脉宽调制(PWM)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻,使谐振仅发生于开关过程前后,零开关PWM电路可分为零电压开关PWM(ZVS-PWM)电路和零电流开关PWM(ZCS-PWM)电路[4]。零开关电路同谐振电路相比有很多明显优势:能够在不增加谐振电路和辅助开关器件的情况下实现软开关并使环路电流达到最小。存在的问题:电压和电流基本上是方波,但是上升沿和下降沿较缓,开关承受的电压明显降低。电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
1.3零转换PWM电路
前面所讨论的各种软开关电路,包括准谐振电路、零开关PWM电路等,然而它们共同的问题是在实现电路软开关的同时又带来了新问题。首先,增加了电路中开关管的电压或电流应力,使电路中的导通损耗明显增加,从而部分地抵消了降低开关损耗的优点;同时,辅助谐振电路中的电感和电容由于电应力造成了体积增大,也部分抵消了功率变压器和滤波元件体积重量的减少。另外,把谐振元件放在电路的主功率通路上,这就不可避免地会给电路的开关器件增加了额外的电压应力;使得电感储能极大地依赖于输入电压和输出负载,电路很难在一个很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软开关动作。
零转换电路可以解决上述软开关电路的诸多问题[5],这类软开关电路与零开关不同的是谐振电路与主开关并联,这样可以使谐振电路受负载和输入电压的影响变小,电路在很宽的输入电压范围内从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小,这使得电路效率有了进一步提高。此类电路可分为零电压转换PWM(ZVT-PWM)电路和零电流转换PWM(ZCT-PWM)电路。
综上所述,准谐振电路、零电压PWM电路和零转换PWM电路各自都存在自身优点和问题。准谐振电路的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降,但是对电力电子器件的耐压要求提高,而且电路中存在大量的无功功率的交换,使电路导通损耗加大,谐振频率不稳定。零开关电路能够在不增加谐振电路和辅助开关器件的情况下实现软开关并使环路电流达到最小,但是也会使开关承受的电压明显降低。零转换PWM电路的开关电压电流应力较小电路结构简单,但会增大通态损耗。
2、软开关技术在电力电子控制电路应用
现代电力转换电路包括AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大变换为基础的单一变换或多项变换的组合。软开关技术在以上4大变换为基础的电路中的应用非常广泛,本文主要讨论其在现代电力电子控制电路中DC-DC变换器的应用。
DC-DC变换器又称作斩波器,其功能是通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出。由于PWM硬性开关高频下运行的局限性很大,所以谐振式软性开关在DC-DC变换电路中受到广泛关注并已逐渐推向实用。
2.1零电流谐振开关(ZCS)变换器
ZCS变换器是通过在开关器件上增加一对谐振电感和电容,使其在开关开通和关断时流过开关的电流等于零,从而减少起开关损耗和提高开关频率,有助与提高电源的功率密度。一个工作周期可分为4个阶段,即:线性阶段、谐振阶段、续流阶段。控制第四阶段时间的长短,可以调整输出电压V0
ZCS变换电路的优点是电路结构简单;缺点是电路开关的峰值电流定额比负载电流大,因此开关的通态损耗比一般电路要大。
2.2零电压开关电压箝位(ZVS-CV)变换电路
该电路特点是开关上的峰值电压被箝位至电源电压。电路中有两个开关,滤波电感比其他变换电路中的滤波电感要小,其电流在一个工作周期内可正、反两个方向变化,从而保证两个开关在零电压下通、断。滤波电容很大,故滤波电容和负载可用直流电压代替。
ZVS-CV变换电路的优点是,电路开关电压箝位至一定值,其缺点是电流的纹波较大,电路开关流过较大的峰值电流。
2.3零电压零电流开关(ZVZCS)相移式PWM变换器
其变换电路是由四支功率开关管构成桥式结构,开关管之间轮流导通电角度1800(有一定死区,以防直流短路)使得即变压器原边产生交变电压,经变压、整流、滤波后,负载获得直流输出电压。改变相移角,即可改变输出电压大小。
VZCS相移式PWM变换器的优点是移相控制实现方便,电流和电压应力小,巧妙利用了寄生元件。缺点是整流管电压振荡,初级有环流损耗。
2.4直流环节串联谐振逆变器
随着新型电力电子器件的不断涌现,PWM技术被广泛应用于交流电机的变频调速,但在大功率逆变器中,开关损耗已成为制约开关频率提高的关键因素。1986年美国威斯康星大学DM.Divan教授研制的谐振直流环节逆变器[7],采用软开关技术使开关器件损耗几乎降为零,大大提高了器件工作频率,同时有效防止了电磁干扰,并且减少了装置的体积、重量。
该逆变器由电感和电容组成串联谐振电路,插在直流输入电压和PWM逆变器之间,为逆变器提供周期性过零电压,使得每个桥臂上的功率开关器件可以在零电压下通断。
直流环节串联谐振逆变器存在下面两个问题:(1)逆变器开关元件承受的电压约为直流电源电压的2-3倍,必须使用耐压高的功率开关器件。(2)为实现零损耗,开关器件必须在零电压下通断,但这个零电压到来的时刻与PWM控制策略所确定的开关时刻难以一致,造成时间上的误差,导致输出谐波增加。
2.5直流环节并联谐振逆变器
该逆变器拓扑结构是由谐振电感,谐振电容,开关元件等组成,一个工作期可分为六个阶段。其中第六阶段电路工作在稳态,该阶段时间长短是可控的,通过控制该阶段时间可达到控制逆变器主开关时刻的目的
同直流环节串联型谐振逆变器相比,该电路的逆变器开关元件所承受的最大电压值仅为直流电源电压Vd,克服了串联型谐振逆变电路两个缺点,但其电路结构和控制策略比前者复杂
3、软开关技术的新发展
随着电力电子技术的发展,目前对电力电子装置的要求愈加趋向于小型化,轻量化,并希望能提高开关频率,但是目前开关器件的频率已接近于极限,并且随着频率的提高又带来了噪声污染、电磁干扰、开关应力、开关损耗等一系列问题。目前的研究仍是针对解决上述问题而进行的,最近的研究成果包括新型电路结构的出现和应用范围的不断扩大等。
Chien-ming Wang提出了一种新型的功率因数校正器[8]。这种功率因数校正器采用传统的脉宽调制,软换相技术及瞬时平均线电流控制方法。他设计了一种新的零电压开关脉宽调制(ZVS-PWM)辅助电路,可实现主开关和辅助开关的零电压开关,辅助开关实现零电流开关,其主开关软换相时电流应力小,传输损耗小。
H.Ogiwara,M.Itoi和M.Nakaoka设计出一种新型的单端推挽式软开关高频逆变器[9],该逆变器应用于高频感应加热装置。这一新模型是在传统电路的基础上加上谐振电路。这样可实现软开关并且在对称的PWM辅助电路下能在大范围内连续调节输出功率,其工作频率固定为20kHz,用在家用加热电器中具有很好的安全性和高效性。
C.M.Wang,H.J.Chiu和D.R.Chen提出了一种新型的零电流PWM开关单元[10],这种开关单元可以使主开关和辅助开关都能在零电流时开通和关断。这种变换器的优点是:工作于固定频率,减少了换相损耗,只采用了一个谐振电感使电路的结构简单且电流应力小,它适用于采用IGBT的大功率场合。
如今,谐振开关的概念奠定了谐振变换器技术的基础。将零电流谐振开关或零电压谐振开关代替PWM变换器的功率开关可得到一种准谐振变换器。美国的Vicor公司最先使该软开关技术实用化,首批推出VI-300系列(指该系列变换器模块额定输入是300V)三种型号的零电流开关高功率密度DC/DC变换器[11],极受用户的欢迎。目前,美国Vicor公司、加拿大北方电信公司、日本的NEMIC-LAMBDA均开发出了软开关开关电源产品。台湾也有4家厂商从事软开关和谐振技术的开发研究。在我国,原电子部第43所1997年成功通过了“RGF28S05型谐振式DC/DC变换器”的设计定型鉴定。这是中国自己设计制造的第一只采用零电流、“准谐振”软开关正激电路控制的高功率密度谐振式DC/DC变换器。展望21世纪,软开关高功率密度DC/DC变换器无疑将是主流产品[12]。
软开关变换器都应用了谐振原理,在电路中并联或串联谐振网络,势必产生谐振损耗,并使电路受到固有问题的影响。为此,人们提出了组合软开关功率变换器的理论[13],它是在吸收技术和谐振式软开关技术的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论,并将此理论应用到各种变换器。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点,电路中既可以存在零电压开通,也可以存在零电流关断,同时既可以包含零电流开通,也可以包含零电压关断,是这4种状态的任意组合。
4、结束语
软开关技术由于其特殊的优点,在电力电子技术领域是一大研究热点。采用软开关技术,使开关频率不受开关损耗的限制,大大提高了开关器件的工作频率,减小了开关器件的散热器体积,从而大大减小了装置尺寸和重量,同时也提高电路工作的可靠性和效率。另外开关频率的提高还能使谐波干扰得到抑制,从而可以制成无噪声传动系统。当然,采用软开关也产生了装置成本增加、控制难度加大、开关器件工作时占空比调节范围减小等问题,尚须改进和完善。
随着电力电子技术的不断发展,软开关技术正由新兴技术不断走向成熟。研究人员不断取得新的进展,使电力系统的转换和传输中能量损耗不断降低,电磁干扰逐渐减少,噪声污染正进一步得到解决。■
参 考 文 献
[1]林忠岳.现代电力电子应用技术[M].北京:科学出版社,2007,1:237-245.
[2]李雄杰.反激式开关电源准谐振变换的实现[J].电气应用,2005,1.
[3]王廷才.电力电子技术[M].高等教育出版社,2006,4:195-199.
[4]董慨,林周布.无源软开关技术在PWM变换器上应用的性能比较[J].低压电器,2006,6:42-46.
[5]夏军,罗公伟.一种新的半桥零电压开关变换器拓扑[J].电气应用,2006,25(5):15-18.
[6]韩学斌,姜幼卿.半桥准谐振激光电源的PSPICE仿真分析[J].电焊机,2003,1.
[7]邹仁炜,组合式航空逆变电源的设计[D].西北工业大学,2006.
[8]杨玉岗.现代电力电子的磁技术[M].北京:科学出版社,2003.
[9]周跃庆,程亦晗.电力电子技术[J].天津大学,2006.
[10]张镠钟.高功率因数软开关电源研究[D].哈尔滨工程大学,2007,4.
[11]文辉清,吕征宇.零电压开关不对称半桥DC-DC变换器[J].电源技术应用,2005,8.
[12]刘星桥,谭俐,凌俊杰,张继来.一种新型零电压零电流PWMDC/DC全桥变换器的研制[J].江苏大学学报(自然科学版),2006,4.
[13]丘东元,涂文娟,张波,黎剑源.谐振开关电容变换器的潜电路特性[J].电子学报,2007,8.
作者简介:王德常(1964-),安徽歙县人,黄山学院信息工程学院讲师。研究方向电路与系统。
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