1、電力電子技術(shù)基礎(chǔ),邢巖 肖曦 王莉娜 編著 機(jī)械工業(yè)出版社,第3章 DC-DC 變換器,主要內(nèi)容： 3.1 概述 3.2 單管非隔離變換電路 3.3 單管隔離式變換電路 3.4 多管變換電路 3.5 雙向DC-DC變換器 3.6 軟開關(guān)變換器,常用DC/DC變換器拓?fù)?本章討論電壓型變換器，即輸入輸出都是直流電壓,3.1 概述,圖3-1 線性穩(wěn)壓電源,線性穩(wěn)壓電源：通過將輸入和輸出功率/電壓的差值消耗在穩(wěn)壓電路上來實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓,IiIo,圖3-2 斬波電路和開關(guān)電源,開關(guān)電源：1）斬波調(diào)節(jié)輸出電壓（直流分量） 2）濾波得到平滑直流輸出電壓,理想L、C和開關(guān)元件不消耗功率,所以理論效率100,圖

2、3-3 DC-DC變換器的6種基本拓?fù)?(a) Buck (b) Boost (c) Buck-Boost (d) Cuk (e) Zeta (f) SEPIC,3.2 單管非隔離變換電路,3.2.1 Buck變換器 3.2.2 Boost變換器 3.2.3 升降壓式變換器 3.2.4 6種基本拓?fù)涞谋容^,圖3-4 理想Buck變換器,Q主開關(guān)管 VD續(xù)流二極管 L, C輸出濾波電 感電容,3.2.1 Buck變換器,工作原理,圖3-5 一個開關(guān)周期內(nèi)的等效電路,Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (b) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通 (c) Q和VD都關(guān)斷,定義： 開關(guān)周期 T=Ton+Toff 開關(guān)頻率 f=1/T 占

3、空比 D=Ton/T,(1) 電感電流連續(xù)模式(CCM) Q on（導(dǎo)通）期間：,(3-2),Q off（關(guān)斷）期間：,(3-3),穩(wěn)態(tài)時 iLon=-iLoff=iL,代入（3-1）（33），得 Uo=DUi (3-4),由于占空比D1，因此Uo Ui 圖3-4稱為降壓式（Buck）變換器。,(2) 電感電流臨界連續(xù)模式 (CRM) 臨界連續(xù)時的負(fù)載電流 IG :,將(3-2)、(3-4)代入(3-5)，得：,(3-6),D=0.5時，IG 最大，且,(3-7),穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流Io等于電感電流平均值IL,代入式（3-2）和（3-8）,（3-9）,（3-10）,式（3-1）（3-10）代入式（

4、3-9），并整理，得,再將式（3-2）（3-7)代入（3-11），整理可得,DCM Buck變換器的輸出電壓與負(fù)載有關(guān),（3-11）,2. Buck變換器理想條下的外特性 定義：在一定占空比下，變換器的輸出電壓與輸出電流(這里實(shí)際上是平均電流)的關(guān)系稱為變換器的外特性,由式(3-4)和(3-12), 得理想Buck變換器外特性:,（3-14）,圖3-9 理想Buck變換器的標(biāo)幺外特性,3. 開關(guān)器件應(yīng)力分析 1) 開關(guān)管Q,最大電壓為Ui 峰值電流為 isP=IL+iL/2= Io+iL/2 =Io+Uo(1-D)T/(2L) Ui最高時isp最大,2) 二極管VD 最大電壓為Ui 電流有效值

5、:,1) 電感L 設(shè)臨界連續(xù)點(diǎn)負(fù)載電流為Iomin，將IG=Iomin代入(3-6)，得,4. 輸出濾波參數(shù)設(shè)計,2) 電容C（按理想電容考慮）,根據(jù)要求的輸出電壓紋波設(shè)計,ic0時電容充電，ic0時電容放電,(3-16),圖3-10 輸出電容電流與電壓紋波,充電時間段：,iLon表達(dá)式代入上式并整理，得,開關(guān)管和二極管有正向?qū)▔航祷驅(qū)娮?，濾波電感有線圈電阻 實(shí)際參數(shù)都造成變換器的內(nèi)部損耗(等效內(nèi)阻)，使外特性下垂。,5. 實(shí)際器件參數(shù)對Buck變換器外特性的影響,在相同占空比下，實(shí)際Buck變換器的輸出電壓小于理想情況。 同樣輸入電壓下，要維持輸出電壓不變、必須控制占空比隨負(fù)載電流增大

6、而有所增大。,另一種分析方法: 對電感應(yīng)用伏-秒平衡原理（穩(wěn)態(tài)時，一個開關(guān)周期電感兩端的平均電壓為零） CCM： (Ui-Uo)*DT-Uo *(1-D)T=0 Uo=DUi,+ -,3.2.2 Boost變換器,圖3-11 理想Boost變換器,1. 工作原理,圖3-12 Boost變換器等效電路,(a) Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (b) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通 (c) Q和VD都關(guān)斷,(1) 電感電流連續(xù)模式 Q 導(dǎo)通期間： Q 關(guān)斷期間：,(3-17),(3-18),穩(wěn)態(tài)時 iLon=-iLoff= iL,（319）,總是UoUi，故稱：升壓式(Boost)變換器,代入（3-17）（3-18），可推導(dǎo)

7、出,圖3-14 Boost變換器工作波形(CRM),(2) 電感電流臨界連續(xù)模式 Q 導(dǎo)通期間： Q 關(guān)斷期間：,(3-17),(3-18),負(fù)載電流Io等于二極管電流的平均值ID， 臨界連續(xù)時的負(fù)載電流Io用IG表示,將式（3-17）代入上式，可得,可見，當(dāng)D0.5時，IG最大，為：,（3-21）,（3-20）,(3) 電感電流斷續(xù)模式 Q 導(dǎo)通VD關(guān)斷： Q 關(guān)斷VD導(dǎo)通： Q 和D都關(guān)斷： iL=0 穩(wěn)態(tài) -iLoff1=iLon=iL,（3-23）,負(fù)載電流Io等于二極管平均電流ID,Io,再將式（3-17）（3-21）代入上式，可得,2. Boost變換器理想條件下的外特性,Io0時

8、，Uo D1時，Uo,3.開關(guān)器件應(yīng)力分析,1）開關(guān)管Q VD導(dǎo)通時Q承受最大（正向）電壓Uo。 Q的電流峰值isp等于電感電流（也是輸入電流）峰值,電感電流連續(xù)時,2）二極管VD Q導(dǎo)通時VD承受最大電壓Uo。 輸出電流Io是二極管電流iD的平均值，忽略電感電流紋波，即二極管電流的波形則近似為流通時間為(1-D)T、幅度為Io/(1-D)的矩形波，可得 二極管電流有效值,4. 輸出濾波參數(shù)設(shè)計 1）電感值L 和Buck變換器一樣，電感L根據(jù)允許的電感電流紋波或臨界連續(xù)負(fù)載電流Iomin（即工作在連續(xù)模式的最小負(fù)載電流）來設(shè)計 令I(lǐng)G=Iomin，由式（3-20)，有,內(nèi)容: 拓?fù)?工作原理分

9、析特性: on/off等效電路狀態(tài)方程 參數(shù)設(shè)計 幾個特點(diǎn): 1. iin=iL ; Io=ID 2. 峰值電流: iQ 、iD 和 iL相同 3. 輸入電流紋波小而輸出電流紋波大.,Boost變換器:小結(jié),1. Buck-Boost變換器的工作原理和特性(CCM),圖3-17 理想Buck-Boost變換器及其等效電路(CCM),Buck-Boost變換器 (b) Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (c) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通,3.2.3 升降壓式變換器,D0.5時，Uo/Ui1,對電感應(yīng)用伏-秒平衡原理：,（3-25）,即,故稱： 升/降式變換器,2. Cuk變換器的工作原理,圖3-18 Cuk變換器,升/降

10、式變換器,3.2.4 6種基本拓樸的比較,3.3 單管隔離式變換電路,3.3.1 單端反激變換器 3.3.2 單端正激變換器,1. 工作原理,圖3-19 單端反激變換器,T兼有隔離和儲能電感的作用，故稱為電感-變壓器 根據(jù)電感-變壓器的儲能是否連續(xù)，反激變換器有連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式,定義變壓器匝比n=N1/N2,3.3.1 單端反激（Flyback）變換器,（1）連續(xù)模式,圖3-20 反激變換器主要波形(CCM),電感-變壓器二次繞組電流i2（也即電感-變壓器儲能）在二極管續(xù)流狀態(tài)結(jié)束（即Q將要再次開通）時尚未下降到零,對變壓器T的一次繞組應(yīng)用伏秒平衡原理,反激變換器是隔離式的升降壓式變換器

11、,可得,（3-28）,另一種分析方法（CCM）， 參見圖3-20 ：,Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷期間,式中L1和i1分別表示T原邊電感和電流，i1on=i1m-i1n,（3-30）,（3-29）,Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通期間,式中L2和i2分別表示T副邊電感和電流,i2off=i2n-i2m,根據(jù)磁元件的安匝數(shù)不能突變，在Q導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換時刻，有 i1mN1=i2mN2，i1nN1=i2nN2 所以 i1on N1=-i2off N2 （3-31) 又,由式（3-29）（3-32）也可以導(dǎo)出（3-28）式,（3-32),（2）臨界連續(xù)模式,圖3-21 (a) 臨界連續(xù)模式主要波形,電感-變壓器副邊繞組電流i2

12、 （也即電感-變壓器儲能）在二極管續(xù)流狀態(tài)結(jié)束（即Q將要再次開通）時剛好下降到零,負(fù)載電流Io等于二極管電流平均值ID 臨界連續(xù)時的Io用IG表示,也是當(dāng)D0.5時，IG最大，為：,（3）斷續(xù)模式,Q再次導(dǎo)通之前i2已經(jīng)下降到零,圖3-21 (b) 斷續(xù)模式主要波形,反激變換器在斷續(xù)模式下的標(biāo)幺外特性,圖3-22 理想反激變換器的標(biāo)幺外特性曲線,反激變換器結(jié)構(gòu)簡單，在小功率隔離電源中應(yīng)用廣泛，為減小電感-變壓器的體積，一般設(shè)計其電感值較小，令變換器在整個負(fù)載范圍內(nèi)都工作在斷續(xù)模式。,2. 器件應(yīng)力分析和參數(shù)設(shè)計 只分析斷續(xù)工作模式 Q最大正向電壓 Ui+nUo Q電流峰值,式中Ii，Po，分別

13、為輸入平均電流、輸出功率和效率,VD最大反向電壓 Ui/n+Uo VD電流有效值,如果設(shè)計變換器在最大負(fù)載下臨界連續(xù)，則此時 Toff1=(1-D)T,設(shè)計反激變換器工作在斷續(xù)模式，即最大負(fù)載電流Iom不大于臨界連續(xù)負(fù)載電流IG，則要求變壓器一次側(cè)激磁電感,濾波電容C的設(shè)計與Boost變換器同理,Flyback變換器特點(diǎn): 簡單(T兼作L)，輸入電壓范圍寬， 輸入輸出電流紋波都大，Q電壓應(yīng)力高 適于小功率應(yīng)用,單端隔離式DC-DC變換器，“單端”的含義是指，在一個開關(guān)周期內(nèi)，直流輸入功率只從變壓器原邊繞組的一端流入。單端隔離式變換器的主要缺點(diǎn)是：功率只在開關(guān)管導(dǎo)通時間DT內(nèi)輸入變壓器，變壓器磁

14、芯只在B-H平面第一象限運(yùn)行，因此磁芯不能得到充分利用。,3.3.2 單端正激（Forward）變換器,圖3-23 單端正激變換器電路拓?fù)?定義 n=N1/N2,N1：一次繞組 N2：二次繞組 N3：復(fù)位繞組,Q導(dǎo)通 續(xù)流磁復(fù)位,續(xù)流 （磁復(fù)位結(jié)束）,連續(xù)模式（即濾波電感電流連續(xù)）下的工作模態(tài),圖3-24 正激變換器主要工作波形（CCM）,對電感L列寫伏秒平衡方程 (Ui/n-Uo)DT-Uo(1-D)T=0 故,正激變換器屬于降壓式變換器,（3-38）,正向磁化 磁復(fù)位,Q、VD1、VD2和VD3 承受的最大電壓應(yīng)力分別為,，,，,，,3.4 多管變換電路,3.4.1 推挽變換器 3.4.2

15、 半橋變換器 3.4.3 全橋變換器 3.4.4 隔離式DC-DC PWM變換器比較,3.4.1推挽（Push-Pull）變換器,圖3-25 推挽式DC-DC變換器,定義： N11=N12=N1 N21=N22=N2 n=N1/N2 Q1和Q2以相同的占空比D交替導(dǎo)通,1) 0tTon,2) TontT/2,3) T/2tT/2+Ton,4) T/2+TontT,在電感電流連續(xù)模式，一個開關(guān)周期內(nèi)有四個階段：,（1）0tTon：Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷，輸入電壓加在N11繞組、變壓器正向磁化， “ ”端為正， VD3導(dǎo)通，VD4截止，A點(diǎn)電位為Ui/n，iL上升；磁通由-m變化到m。 （2）Tont

16、T/2：Q1、Q2都關(guān)斷，變壓器二次繞組電壓消失。電感L電流不能突變，迫使VD3和VD4同時導(dǎo)通續(xù)流，若忽略激磁電流，則每個整流管流過iL/2，A點(diǎn)電位為零，電感電流iL下降。 N21和N22繞組流過極性相反的電流，使變壓器被短路（端電壓為零），保持磁芯磁通不變(=m)，激磁電流通過二次繞組流通，且在本階段保持不變。,（3）T/2tT/2+Ton：Q2導(dǎo)通、Q1關(guān)斷，輸入電壓加在N12繞組、變壓器反向磁化，電勢均“ ”端為負(fù)，VD4導(dǎo)通，VD3截止, 電感電流iL上升；磁芯磁通由m變化到-m。 （4）T/2+TontT：Q1和Q2都關(guān)斷，VD3和VD4同時導(dǎo)通續(xù)流，每個整流管流過iL/2，變壓

17、器短路，保持磁芯磁通不變(=-m)；iL下降。,圖3-26 推挽式DC-DC變換器主要波形(CCM),電感電流iL的波動頻率是Q1、Q2開關(guān)頻率的兩倍，即2f（f=1/T）,式中D是Q1或Q2的占空比，D=Ton/T，一個開關(guān)周期內(nèi)Q1和Q2各導(dǎo)通一次，D0.5,推挽變換器的兩個開關(guān)管Q1和Q2不能同時導(dǎo)通，否則，變壓器一次繞組被短路、使輸入電源被短路。 開關(guān)管Q1和Q2的所承受的電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍，實(shí)際電路由于變壓器的漏感，開關(guān)管實(shí)際承受的電壓應(yīng)力更高，所以推挽變換器不適合用于高壓輸入的場合； Q1或Q2導(dǎo)通時，一次電流回路中只有一個管壓降，所以推挽變換器適合于低壓大電流輸入應(yīng)用。 反

18、并二極管VD1和VD2用于為激磁電流提供通路及在開關(guān)瞬間避免變壓器漏感造成的電壓尖峰。,特點(diǎn)：,3.4.2半橋變換器,圖3-27 半橋式DC-DC變換器,C1=C2 Q1和Q2以相同的占空比D交替導(dǎo)通 定義n=N1/N2,1) 0tTon,2) TontT/2,3) T/2tT/2+Ton,4) T/2+TontT,在電感電流連續(xù)模式，一個開關(guān)周期內(nèi)有四個階段：,（1）0tTon：Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷，變壓器一次電壓uAB為Ui/2、“”端為正。二次側(cè)VD1導(dǎo)通，VD2截止，電感電流iL上升；變壓器磁芯磁通由-m變化到m。 輸入電流通過Q1流入變壓器，再流過C2回到電源負(fù)端。C2充電、C1放電，

19、B點(diǎn)電位略上升，但由于電容值很大，所以B點(diǎn)電位紋波很小、可以忽略。 （2）TontT/2：Q1和Q2都關(guān)斷，與推挽變換器同理，一次側(cè)電流為零，副邊VD3和VD4同時導(dǎo)通續(xù)流、各流過一半電感電流(忽略激磁電流)，變壓器短路、保持磁芯磁通不變（=m）。電感電流iL下降。,（3）T/2t T/2+Ton：Q2導(dǎo)通、Q1關(guān)斷，變壓器原邊電壓Ui/2、但“”端為負(fù)。副邊VD2導(dǎo)通，VD1反偏截止，電感電流iL上升；變壓器磁通由m變化到-m。 C1充電、C2放電。B點(diǎn)電位略下降。 （4）T/2+TontT：Q1和Q2都關(guān)斷，VD3和VD4同時導(dǎo)通續(xù)流；變壓器磁芯磁通保持在-m。,圖3-28 半橋式DC-D

20、C變換器連續(xù)模式主要工作波形,忽略C1、C2電壓紋波,電感電流的波動頻率也是Q1、Q2開關(guān)頻率的兩倍，電壓傳輸比,式中D為一個開關(guān)周期T內(nèi)Q1或Q2的占空比，D=Ton/T，如圖3-28，D0.5,半橋電路中開關(guān)管承受的電壓僅為Ui，是推挽電路的一半。 Q1、Q2不能同時導(dǎo)通，否則將電源短路，將造成晶體管損壞。C1、C2的電容值影響電容中點(diǎn)電位的紋波電壓但不影響其平均電壓。 為保證變壓器對稱磁化、避免偏磁，Q1和Q2必須對稱工作，而且C1和C2的電容值也必須盡量接近。,特點(diǎn)：,3.4.3 全橋變換器,圖3-29 全橋變換器,全橋變換器的調(diào)制： 可以令Q1、Q4和Q2、Q3兩組開關(guān)管分別以占空比

21、D交替導(dǎo)通，在變壓器原邊uAB得到電壓Ui、0和-Ui。 移相控制（見3.6節(jié)）,橋式變換器中晶體管承受的電壓與半橋一樣，為輸入電壓，流過晶體管的電流，在相同的輸出功率時，全橋是半橋的一半。與推挽電路比較，橋式電路中晶體管承受的電壓為電源電壓，而推挽中為電源電壓的兩倍；橋式輸出可以有變壓器，也可沒有變壓器，推挽則必須具有變壓器。另外加在變壓器初級的電壓，推挽只一個晶體管飽和電壓，而橋式為兩個，因此推挽電路適用于低輸入電壓場合，而橋式電路適用于高輸入電壓。,特點(diǎn)：,圖3-30 整流濾波電路,(a) 變壓器中心抽頭整流電路 (b) 橋式整流電路 (c) 倍流整流電路,橋式整流整流管承受的電壓應(yīng)力最

22、低，適于高壓輸出； 倍流電路整流管和濾波電感承受的電流應(yīng)力最小，變壓器也沒有中心抽頭，適于低壓大電流輸出。,其它整流電路形式：,3.4.4 隔離式DC-DC PWM變換器比較,注1 在圖3-23 N3N1條件下,表3-2 隔離式DC-DC開關(guān)變換器比較,n =N1/N2, N1和N2分別為變壓器原邊和副邊繞組匝數(shù),圖3-31 Bi Buck-Boost變換器,3.5 雙向DC-DC變換器,方式I：Buck方式 能量從U1至U2，電感電流iL平均值為正,輸出電壓U2DBuckU1，式中DBuck為Q1的占空比,方式II：Boost方式,能量從U2至U1，電流iL為負(fù) 輸出電壓U1U2/(1-DB

23、oost)，式中DBoost為Q2的占空比。 由于Q2、Q1互補(bǔ)工作，因此DBoost1-DBuck,圖3-32 Bi Buck-Boost變換器電流波形 (b) 方式II,方式III：交替方式,DBuck為Q1的占空比，DBoost為Q2的占空比 Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，DBoost1-DBuck,一個開關(guān)周期內(nèi)iL正負(fù)交替,或,交替方式下：,一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流iL平均值為零，這表示在一個開關(guān)周期內(nèi)從U1流向U2的能量等于從U2反向流入U1的能量，即平均傳遞功率為零。,平均功率從U1向U2側(cè)傳輸,平均功率從U2向U2側(cè)傳輸。,3.6 軟開關(guān)變換器,3.6.1 準(zhǔn)諧振變換器 3.6.2 ZV

24、S-PWM和ZCS-PWM變換器 3.6.3 ZT-PWM變換器 3.6.4 移相控制全橋變換器 3.6.5 有源鉗位軟開關(guān)變換器 3.6.7 廣義軟開關(guān)PWM技術(shù),圖3-34 硬開關(guān)過程,圖3-35 理想零開關(guān)過程,開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓/零電流開關(guān)技術(shù),功率管在開關(guān)過程中,其端電壓和流過的電流波形有交疊，因而有很大的瞬時開關(guān)損耗,應(yīng)用LC諧振原理，使開關(guān)變換器的開關(guān)器件中電流(或電壓)按準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時，使器件開通和關(guān)斷，稱為零電流諧振開關(guān)，簡稱零電流開關(guān)（ZCS，Zero Current Switch）；或電壓為零時,使器件開通和關(guān)斷，稱為零電壓開關(guān)

25、（ZVS，Zero Voltage Switch）,3.6.1 準(zhǔn)諧振變換器,諧振開關(guān)由半導(dǎo)體功率開關(guān)和電感、電容組成 若在一個開關(guān)周期內(nèi)有諧振運(yùn)行區(qū)間、也有非諧振運(yùn)行區(qū)間，則稱為準(zhǔn)諧振變換器（QRC，Quasi Resonant Converter）。,諧振開關(guān)單元代替PWM變換器中的單個開關(guān)，可以組成各種準(zhǔn)諧振變換器。 圖3-36 a)、b)分別表示Buck型ZCS和ZVS半波準(zhǔn)諧振變換器 (QRC，Quasi-Resonant Converter)，虛線框內(nèi)為ZCS或ZVS諧振開關(guān) 諧振電感Lr包括電路中可能有的雜散電感和變壓器漏感，諧振電容Cr包括功率開關(guān)管結(jié)電容。,圖3-36 Buc

26、k型半波準(zhǔn)諧振變換器,(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRC,為簡化分析，假設(shè)輸出濾波電感很大，忽略電感電流紋波、電感等效為恒流源Io 一個開關(guān)周期可分為4個工作模態(tài) 設(shè)Q開通前VD流過負(fù)載電流Io，此時UVD0、Ucr=Ui tt0時開通Q。,以圖3-36a ZCS-QRC Buck變換器為例，分析工作原理：,模態(tài)I： tott1, 線性階段 t=to時D處于續(xù)流狀態(tài)、流過電流Io； Lr上感應(yīng)電勢為Ui，流過開關(guān)管的電流ids線性上升，tt1時升至Io 模態(tài)II： t1tt2， 諧振階段 tt1時輸入電流ids升至Io，因此D電流下降到零而截止。LrCr諧振、ids繼續(xù)上升，ids

27、除供給負(fù)載電流Io外，還以ids-Io對電容Cr反向諧振充電，到tt2時，ids0，由于VDr的作用、ids不能反向流動、維持為零，Q相當(dāng)于關(guān)斷,模態(tài)III： t2tt3， 恢復(fù)階段 ids0時關(guān)斷Q。電容Cr以Io恒流充電、電壓ucr線性上升，并在tt3時上升到Ui。此階段電壓源Ui向負(fù)載供電 模態(tài)IV： t3tt4， 續(xù)流階段 當(dāng)ucr上升到Ui時，續(xù)流管VD導(dǎo)通續(xù)流 調(diào)節(jié)Q關(guān)斷時間、即調(diào)節(jié)續(xù)流時間，就可以控制輸出電壓,圖3-37 Buck型半波準(zhǔn)諧振變換器工作波形,(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRC,通過以上分析，還可以發(fā)現(xiàn)，對于ZCSQRC： （1）開關(guān)管上承受較大的電流應(yīng)

28、力。 （2）開關(guān)頻率與負(fù)載Io、Uo/Ui等有關(guān)，換言之，需要變頻控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。,3.6.2 ZVS-PWM和ZCS-PWM變換器,在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程工作在準(zhǔn)諧振方式、達(dá)到零電流或零電壓開關(guān)，而在導(dǎo)通和關(guān)斷期間（即一個開關(guān)周期內(nèi)的大部分時間）工作在PWM方式，這就是零電壓（ZVS）-PWM和零電流（ZCS）-PWM變換器,圖3-38 Buck ZCS-PWM變換器,在基本Buck變換器（圖3-4）的基礎(chǔ)上增加了ZVS輔助單元，圖中Lr、Cr分別為諧振電感和諧振電容，Q1為輔助開關(guān)（體二極管VD1）,工作原理分析：,假設(shè)： 電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出濾波電感工很大、在開關(guān)過程中流過電感電流不變，可以看作

29、恒流源Io。一個開關(guān)周期可分為6個工作模態(tài) tt0時Q和Q1關(guān)斷、負(fù)載電流Io由VD續(xù)流。tt0時開通主管Q,模態(tài)I: tott1， 線性階段 tt0時Q開通、Q1仍關(guān)斷。VD續(xù)流、uVD0，VD1截止、ucr0。電流i1線性上升、iD(iD=Io-i1)線性下降 tt1時iD下降為零，D截止，i1=Io 模態(tài)II: t1tt2 準(zhǔn)諧振階段 VD截止后，端電壓上升，使VD1導(dǎo)通。Lr和Cr諧振，i1按正弦半波變化，當(dāng)tt2時i1又降至Io、ucr充電到2Ui，VD1截止,模態(tài)III： t2tt3， PWM階段 此階段主管Q導(dǎo)通，與PWM變換器Ton狀態(tài)相同 模態(tài)IV： t3tt4， 準(zhǔn)諧振階段

30、（ZCS） 在主管Q關(guān)斷之前，開通輔助管Q1，Lr與Cr諧振，Cr放電、i1減小（i1Io-icr），并變負(fù)流過Q的體二極管VD2。在i1過零后關(guān)斷Q，i1諧振由負(fù)回升、tt4時回零。Q零電流關(guān)斷。由于此時ucr尚未下降到零，所以Q端電壓uds突變?yōu)閁i-ucr,模態(tài)V： t4tt5， 恒流放電階段 Q關(guān)斷后，Cr以恒流Io放電、ucr線性下降直至零、uds線性上升直至Ui。 模態(tài)VI： t5tt6， 續(xù)流階段 ucr降至零并試圖反向時、續(xù)流管VD導(dǎo)通，進(jìn)入PWM續(xù)流階段，此時可關(guān)斷輔助管Q1（ZCS）。,圖3-40 Buck ZCS-PWM變換器工作波形,由以上分析可見，與準(zhǔn)諧振變換器相比，

31、ZS-PWM 變換器增加了一個輔助開關(guān)，來控制變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)交替運(yùn)行于準(zhǔn)諧振方式和PWM方式，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電流或零電壓開關(guān)、低應(yīng)力和PWM控制。,3.6.3 ZT-PWM變換器,ZVS和ZCS-PWM變換器的諧振元件串聯(lián)在主電路內(nèi)，因此零開關(guān)條件與電源電壓、負(fù)載電流的變化范圍有關(guān)，輕載下有可能無法實(shí)現(xiàn)零開關(guān) 零轉(zhuǎn)換（ZT, Zero Transition）-PWM變換器，諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)并聯(lián)，從而擴(kuò)大了滿足ZVS或ZCS條件的負(fù)載或電網(wǎng)變化范圍 零轉(zhuǎn)換變換器也有兩類：零電流轉(zhuǎn)換（ZCT，Zero Current Transition）和零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT，Zero Voltage

32、Transition）,主開關(guān)Q并聯(lián)一個諧振網(wǎng)絡(luò)，由諧振電容Cr(包括Q的輸出電容)、諧振電感Lr、輔助開關(guān)Q及二極管VD組成。 輔助開關(guān)Q 先于主開關(guān)Q導(dǎo)通，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作，電容C電壓(即主開關(guān)電壓)諧振下降到零，創(chuàng)造了主開關(guān)零電壓開通條件。,舉例：圖3-41 Boost 型ZVT-PWM變換器,3.6.4移相控制全橋變換器,移相全橋(PS FB，Phase-Shifting Full Bridge) ZVS-PWM變換器是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開關(guān)變換器之一。在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率MOS管的輸出電容和變壓器的漏電感（或外加諧振電感）作為諧振元件，使FB PWM變換器四個開關(guān)管依次在

33、零電壓下開通。電路簡單，適用于較大功率應(yīng)用場合。,Q1、Q2、Q3、Q4四個開關(guān)依次ZV開通，Q1和Q3的開通相位分別超前于Q2和Q4 改變相位差（移相），就可以改變原邊電壓uAB的占空比，從而可調(diào)節(jié)控制輸出電壓大小,圖3-42 PSFB ZVS-PWM變換器 a) 電路原理圖,假設(shè)tt時，Q3、Q4導(dǎo)通，開關(guān)管結(jié)電容C1、C2充電，uAB=Ui，通過Q3、Q4傳送能量給負(fù)載。 一周期內(nèi)可以分成8個運(yùn)行模態(tài)，前半個周期(t -t 4) 4個運(yùn)行模態(tài)的工作原理可分析如下：,工作原理分析：,模態(tài)I: ttt1 t= t0時令Q3關(guān)斷，結(jié)電容C1、C3和等效電感（變壓器漏感Ls與濾波電感L 串聯(lián)）諧

34、振，C1放電、C3充電。當(dāng)C1放電到零時Q1體二極管VD1導(dǎo)通。結(jié)電容C3使Q3 ZV關(guān)斷，VD1的導(dǎo)通創(chuàng)造了Q1的ZV開通條件 模態(tài)II: t1tt2 t= t1時令Q4關(guān)斷，結(jié)電容C2、C4和變壓器漏感Ls諧振，C4充電、C2放電，當(dāng)C2放電到零時Q2的體二極管VD2導(dǎo)通。VD2的導(dǎo)通，創(chuàng)造了Q2的ZV開通條件。變壓器原邊電壓uAB=Ui，副邊電壓u2=0。,模態(tài)III: t2tt3 t=t2開始原邊電流i1由負(fù)變正，VD1、VD2換流到Q1、Q2，因此Q1、Q2 ZV導(dǎo)通。但在模式II及III，由于電流上升有一定斜率，uAB加在變壓器漏感Ls上，二次電壓u2=0，輸出濾波電感通過副邊整流

35、管續(xù)流。 模態(tài)IV: t3tt4 t=t3時二次電壓u2建立，Ui通過Q1、Q2傳送能量給負(fù)載。 t=t4，后半周期(t4-t8)開始，運(yùn)行模式和前半周期類似，只是導(dǎo)通管從Q1、Q2分別轉(zhuǎn)換為Q3、Q4。,PS FB ZVS-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)： (1)4個開關(guān)管ZV開通；(2)恒頻運(yùn)行；(3)控制簡單；(4)充分利用了寄生參數(shù)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；(5)電流電壓應(yīng)力小。 主要缺點(diǎn)： (1)輕載時ZVS條件難以滿足；(2) 變壓器原邊有較大環(huán)流, 使導(dǎo)電損耗增大；(3)輸出整流管不能實(shí)現(xiàn)零開關(guān)。 PS FB ZVS-PWM變換器還有其它改進(jìn)的電路拓?fù)湫问胶涂刂撇呗?3.6.5 有源鉗位軟開關(guān)變換器,以有源箝位反激變換器為例，如圖3-43: 電容Cr與變壓器漏感Ls諧振，在滿足一定條件時，可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管Q和箝位管Q1的ZVS。有源箝位電路還可限制輸出整流二極管關(guān)斷時的di/dt，從而減少由于反向恢復(fù)產(chǎn)生的開關(guān)損耗和