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開關(guān)電源高頻化和軟開關(guān)技術(shù)
（作者未知） 2010/4/15
開關(guān)電源高頻化和軟開關(guān)技術(shù)
近年來, 電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛, 直流開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域。如今, 笨重型、低效電源裝置已被小型、高效電源所取代。為了實(shí)現(xiàn)電源裝置的高性能、高效率、高可靠性,減小體積和重量, 必須實(shí)現(xiàn)直流開關(guān)電源的高頻化。直流開關(guān)電源的高頻化不僅減小了功率變換器的體積, 增大了變換器的功率密度和性能價(jià)格比, 而且極大地提高了瞬時(shí)響應(yīng)速度, 抑制了電源所產(chǎn)生的音頻噪聲, 從而已成為新的發(fā)展趨勢。
然而功率變換器開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高將受以下因素的限制: ①在通斷瞬間切換過程中, 功率器件的開關(guān)應(yīng)力。②開關(guān)損耗。③劇烈的d i/ d t 和d u/ d t 沖擊及其產(chǎn)生的電磁干擾(EMI) 。
軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一, 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時(shí), 使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí), 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題。
為此先后有人提出了諧振變換器( resonantconverter) , 準(zhǔn)諧振變換器(quasi resonant converter)和多諧振變換器(muti resonant converter) , 零開關(guān)PWM 變換器(zero switching PWM converter) , 零轉(zhuǎn)換PWM變換器(zero transition PWM converter) 及無源無損緩沖電路(passive lossless snubber circuit) 等多種軟開關(guān)技術(shù)。
諧振變換器
諧振變換器實(shí)際上是直流開關(guān)電源負(fù)載諧振變換器, 在20世紀(jì)70 年代最早被提出來, 它通過在標(biāo)準(zhǔn)PWM變換器結(jié)構(gòu)上簡單地附加諧振網(wǎng)絡(luò)的方法而得到。按照諧振元件的諧振方式, 可分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類; 按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系, 又可分為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器和并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。其工作原理主要是通過諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載的諧振, 使經(jīng)過開關(guān)元件的電流或電壓被整形為正弦波形, 開關(guān)元件在電流或電壓的過零處開通或關(guān)斷, 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程。
準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器
20 世紀(jì)80 年代初, 美國弗吉尼亞電力電子中心(UPEC) 的李澤元教授等研究人員提出了諧振開關(guān), 即在直流開關(guān)電源基本PWM 開關(guān)上增加一些諧振元件,它也是準(zhǔn)諧振變換器中最關(guān)鍵的部分。根據(jù)開關(guān)管與諧振電感和諧振電容的不同結(jié)合, 諧振開關(guān)可分為零電流諧振開關(guān)和零電壓諧振開關(guān)兩類。零電流諧振開關(guān)是將諧振電感與PWM 開關(guān)串聯(lián), 利用電感中諧振電流過零點(diǎn)時(shí), 使開關(guān)零電流關(guān)斷; 零電壓諧振開關(guān)是將諧振電容與PWM 開關(guān)并聯(lián), 利用電容兩端諧振電壓過零點(diǎn)時(shí), 使開關(guān)零電壓開通。它們各有L 型和M 型兩種電路方式, 而且根據(jù)功率開關(guān)管是單向?qū)ㄟ�是雙向?qū)? 又可分為半波模式和全波模式
諧振開關(guān)實(shí)現(xiàn)了軟開通或關(guān)斷, 減少了開關(guān)損耗, 但其開關(guān)器件的通態(tài)電流或斷態(tài)電壓應(yīng)力大。因開關(guān)器件工作頻率不恒定, 為保持輸出電壓在各種條件下基本不變, 必須采用變頻控制方法, 然而該控制方式比PWM變換器復(fù)雜, 而且變壓器、電感等磁性元件要按最低頻率設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)困難。因此, 諧振開關(guān)一般應(yīng)用在小功率低此外, 根據(jù)直流開關(guān)電源諧振軟開關(guān)技術(shù)原理, 人們還提出過在PWM開關(guān)內(nèi)綜合準(zhǔn)諧振零電流和準(zhǔn)諧振零電壓的多諧振開關(guān), 它一般能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān), 但還是只能采用頻率控制方法。實(shí)際常常用零電壓多諧振變換器, 主要是因?yàn)樗樟碎_關(guān)管和整流二極管的結(jié)電容, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管和整流二極管零電壓開關(guān), 而且它的開關(guān)管的電壓應(yīng)力與零電壓準(zhǔn)諧振相比要小得多。
零開關(guān)PWM變換器
零開關(guān)PWM 變換器包括零電壓PWM 變換器和零電流PWM變換器, 它們是在準(zhǔn)諧振軟開關(guān)的基礎(chǔ)上, 加入一個(gè)輔助開關(guān)管, 來控制諧振元件的諧振過程, 實(shí)現(xiàn)PWM 控制。它只利用諧振實(shí)現(xiàn)換相, 換相完畢后仍采用PWM 工作方式, 從而既能克服硬開關(guān)PWM 在開關(guān)過程中的三大缺陷, 又能保留硬開關(guān)PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。
文獻(xiàn)1提出一種新穎的混合式全橋PWM變換器, 它不僅能在不增加導(dǎo)通損耗的情況下實(shí)現(xiàn)空載下ZVS 條件, 而且能使輸入輸出的濾波波形幾乎為理想的, 從而減少了輸入輸出的濾波裝置。
零轉(zhuǎn)換PWM變換器
零轉(zhuǎn)換PWM 變換器包括ZVT-PWM 變換器和ZCT-PWM變（未完，下一頁）
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