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一种新颖的无源无损缓冲电路的分析与工程设计

2017-08-13 01:34 摘要：详细分析了一种新颖的具有较强工程实用价值的无源无损缓冲电路的工作过程，并给出了其设计方法。一台400V输入，110V/10A输出的带有该电路的Buck变换器验证了无源无损缓冲电路的分析和工程设计。

1 概述

在各种形式的开关变流器中，为了减小功率管的电流、电压及热应力，降低损耗，提高变流器效率，减小电磁干扰，提高开关频率和增加变流器功率密度，广泛采用了软开关技术。作为软开关技术的一种，无源无损缓冲电路通过在主电路中附加电容、电感及二极管等无源元器件，使主开关具有零电压、零电流开关条件，并且由于能将缓冲电路上的储能全部传递给负载，从理论上讲缓冲电路是没有损耗的，这也有利于提高变换器的效率。

图1中所示的是一种新颖的无源无损缓冲电路拓扑，可分别应用于Buck电路和Boost电路，特别是在高开关频率和中大功率场合。该缓冲电路能使主开关S在零电流开通（ZCON）和零电压关断（ZVOFF）条件下工作，极大降低了开关管在这种同时处于高电压和大电流换流条件下的电路中所承受的应力，而且还能有效地抑制主二极管D的反向恢复电流。这种缓冲电路拓扑相对简单，使用的元器件数目较少，具有较强的工程实用价值。2无源无损缓冲电路工作过程分析以Buck电路为例，图2和图3分别描绘了该无源无损缓冲电路各阶段的工作过程与相应波形。

图2

阶段1〔t0，t1〕——零电流开通t0时刻S导通，由于缓冲电感Lr的存在，开关管中的电流缓慢上升，S获得了零电流开通（ZCON）条件。该阶段中，输入电压直接施加在Lr上，其电流线性下降，因此S中的电流线性上升。另一方面，阶段1也是D进行反向恢复的过程。由于Lr的存在，极大抑制了D的反向恢复电流，并使反向恢复过程中的电压尖峰大大削弱。在分析中不考虑反向恢复过程，t1时刻当Lr中的电流下降到零时D截止，阶段2开始。

阶段2〔t1，t2〕——Cr复位t1时刻Cr上电压为Vin，Cs上电压为0，通过Lr的电流为0。在由S，Lr，Cs，Ds2，Cr构成的谐振回路中，Cr中的电荷将通过Cs和Lr释放掉，Cs上电压开始上升，D开始承受反向压降，其变化规律满足式（1），即

vD=Vin－vCr＋vCs （1）

t2时刻Cr上的电压降为0，为S的零电压关断（ZVOFF）创造条件，这时通过S的电流达到最大值，即

同时Lr上的电流也达到反向最大值。

阶段3〔t2，t3〕——Lr复位t2时刻当Cr上的电压降为0后，Ds1导通，此时Lr上的电流最大。Lr和Cs通过Ds1及Ds2构成谐振回路，存贮在Lr中的能量通过谐振释放到Cs中，Cs上的电压继续上升。由于Lr仅同Cs进行谐振，因此阶段3的持续时间要长于阶段2。t3时刻当Lr中电流降为0，Ds1及Ds2截止，谐振过程结束。Cs上的电压达到最大值，即

在此阶段中，D所承受反向电压的变化规律为

vD=Vin＋vCs （4）

阶段4〔t3，t4〕缓冲电路停止工作，电路进入正常的PWM开通阶段。与普通硬开关PWMBuck电路导通阶段不同的是，由于在本阶段开始时D承受的反向电压达到峰值并大于输入电压Vin，这并不是一个稳定的状态，这部分多余的能量将通过D的结电容与Lr经Vin构成谐振回路而释放掉，vD振荡下降，到t4时刻稳定在输入电压Vin。