論文題目-電測(cè)與儀表

1、<p>　　新型無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器的</p><p><b>　　研制</b></p><p>　　鄭萬(wàn)里，佃松宜，鄧翔</p><p>　　（四川大學(xué)，電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系， 成都 610065）</p><p>　　摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)源有損(RLD/RCD) Cuk變換器開(kāi)關(guān)損耗高、開(kāi)關(guān)瞬間電流與電

2、壓尖峰大和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低的不足，研究了一種新型的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器。分析了變換器的工作原理，詳細(xì)闡述了各階段工作模態(tài)，設(shè)計(jì)了電路的參數(shù)，并最終研制了一臺(tái)400W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，可有效降低開(kāi)關(guān)損耗，減小開(kāi)關(guān)瞬間電流與電壓尖峰和提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：Cuk變換器；無(wú)源無(wú)損；軟開(kāi)關(guān)</p><p>　　中圖

3、分類(lèi)號(hào)：TM 46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001－1390（2015）00－0000－00</p><p>　　Research on passive lossless soft-switching topology applied in Cuk converters</p><p>　　Zheng Wanli, Dian Songyi, Deng Xiang</p

4、><p>　　(Institute of Electrical Information, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China)</p><p>　　Abstract：The novel passive lossless soft-switching Cuk converter is discussed in the paper

5、aims aiming to the following disadvantages of conventional turn-ON on and turn-OFF off snubbers (RLD/RCD): :high switch losses, large peak current and peak voltage, low efficiency of conversion. The Operation operation m

6、ode principle of converter was analyzed, the working mode of every stage was elaborated in detail, circuit parameter design procedure was presented and finally a prototype of 400W was built</p><p>　　Keywords

7、: Cuk converters, passive lossless, soft-switching</p><p><b>　　0 引 言</b></p><p>　　現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻率、高功率密度趨勢(shì)與硬開(kāi)關(guān)工作方式中固有的嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)損耗間的矛盾日益突出[1-2]。為了解決硬開(kāi)關(guān)條件下開(kāi)關(guān)損耗高的不足，傳統(tǒng)方法是采用無(wú)源有損緩沖器(RLD/RCD)，但能量最

8、終以熱能的形式耗散[3-4]。為了減小開(kāi)關(guān)損耗，采用了諸多有源無(wú)損和無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。相較有源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)無(wú)需額外的輔助開(kāi)關(guān)和控制電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注和研究[5-7]。另一方面，Cuk變換器輸入和輸出的電流連續(xù)，紋波較小，輸出可升壓亦可降壓的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)輸入和輸出紋波要求較高，電壓范圍較寬的場(chǎng)合[8]。在此基于Cuk變換器提出一種新型的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了該電

9、路的各工作模態(tài)，并完成了電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。</p><p>　　1 軟開(kāi)關(guān)電路工作原理</p><p>　　圖1為一種新型的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器。無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路由緩沖元件Lr、Cr，儲(chǔ)能元件Ls、Cs和輔助二極管VD1~VD3組成。電感Lr抑制開(kāi)關(guān)管電流ivs上升速率，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管VS的零電流開(kāi)通，電容Cr用于實(shí)現(xiàn)VS的零電壓關(guān)斷。儲(chǔ)能元件Ls、Cs

10、將緩沖元件Lr、Cr吸收的能量借助輔助二極管VD1~VD3實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，最終反饋至輸出端，在理論上達(dá)到開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)損的效果。</p><p>　　圖1 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器</p><p>　　Fig.1 Passive lossless soft-switching topology applied in Cuk converter</p><p>　　為簡(jiǎn)化分析

11、電路工作過(guò)程，假設(shè)Cuk變換器中：①輸入濾波電感L1足夠大，將輸入端等效為恒流源Iin；②輸出端電容C2足夠大，將輸出端等效為恒壓源Uo；③Cs?Cr，因此Cs兩端可等效為恒壓源Ur；④VD1~VD3為理想器件。變換器穩(wěn)定工作后，在一個(gè)周期內(nèi)的工作過(guò)程可分為8個(gè)狀態(tài)，圖2為電路的主要波形，圖3示出各個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)。</p><p>　　圖2 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器主要波形圖</p><p>

12、;　　Fig.2 Theoretical waveforms for the circuitpassive lossless soft-switching applied in Cuk converter</p><p>　　(1)模態(tài)1[t0, t1]，如圖(a)所示，在t0時(shí)刻，VS開(kāi)通，Uo加在Lr上，流過(guò)Lr中的電流iLr線性減小，流過(guò)VS中的電流ivs線性增大。Lr抑制iVS的上升速率，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管零電

13、流開(kāi)通。在t1時(shí)刻，iLr與流過(guò)Ls中的電流iLs相等，VD完成反向恢復(fù)。其中iLs初始狀態(tài)為：</p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中D為占空比，Ts為開(kāi)關(guān)周期，此模態(tài)持續(xù)時(shí)間為：</p><p><b&

14、gt;　?。?） </b></p><p>　　(2)模態(tài)2[t1, t2]，如圖(b)所示，VD截止，Cr、Lr和Cs開(kāi)始諧振，Cr放電，iLs為Cr反向充電。在t2時(shí)刻，Cr電壓為-VC1，為VS的零電壓關(guān)斷奠定了基礎(chǔ)。在此模態(tài)中，iLs的存在使Cr電壓快速變?yōu)?VC1，則模態(tài)持續(xù)時(shí)間為：</p><p><b>　?。?） </b><

15、/p><p>　　(3)模態(tài)3[t2, t3]，如圖(c)所示，Lr中的能量轉(zhuǎn)移至Cs中，同時(shí)Ls中的能量釋放至輸出端，iLr和iLs均開(kāi)始減小。由于Uo>Ur，在t3時(shí)刻，iLs先降為零。</p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>

16、;<b>　　此模態(tài)持續(xù)時(shí)間為：</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　(4)模態(tài)4[t3, t4]，如圖(d)所示，iLr繼續(xù)減小，在t4時(shí)刻減小到零。至此，開(kāi)通暫態(tài)過(guò)程結(jié)束。此模態(tài)持續(xù)時(shí)間為：</p><p><b>　?。?） </b></p>

17、<p><b>　?。?） </b></p><p>　　(5)模態(tài)5[t4, t5]，如圖(e)所示，變換器進(jìn)入正常的PWM導(dǎo)通階段。</p><p>　　(6)模態(tài)6[t5, t6]，如圖(f)所示，在t5時(shí)刻，VS關(guān)斷，由于Cr上電壓為-UC1，VS為零電壓關(guān)斷，輸入端電流Iin不斷給Cr充電，當(dāng)UCr線性上升至Ur時(shí)，進(jìn)入下一開(kāi)關(guān)模態(tài)。此模態(tài)持續(xù)

18、時(shí)間為：</p><p><b>　?。?0） </b></p><p>　　圖3 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器的工作模態(tài)</p><p>　　Fig.3 Operating mode of passive lossless soft-switching applied in Cuk converter stages for the c

19、ircuit</p><p>　　(7)模態(tài)7[t6, t7]，如圖(g)所示 在t6時(shí)刻，VD導(dǎo)通，iLr線性增大，同時(shí)Cs中能量轉(zhuǎn)移至Ls中，iLs持續(xù)增加。當(dāng)iLr=Iin時(shí)，關(guān)斷暫態(tài)過(guò)程結(jié)束。</p><p><b>　?。?1） </b></p><p><b>　　（12） </b></p

20、><p><b>　　此模態(tài)持續(xù)時(shí)間為：</b></p><p>　　（13） </p><p>　　(8)模態(tài)8[t7, t8]，如圖(h)所示 電路進(jìn)入正常的PWM關(guān)斷階段，直到下一次開(kāi)關(guān)管VS開(kāi)通。</p><p><b>　　2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p

21、>　　2.1 輸入輸出電感的設(shè)計(jì)</p><p>　　在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電流Iin、輸出電流Io、輸入電壓Ui、輸出電壓Uo和電容C0、C1、C2的電壓幾乎不變，因此電感L1和L2的電流變化過(guò)程可以近似看作線性的。</p><p>　　1）輸入電感L1最小值的計(jì)算</p><p>　　開(kāi)關(guān)周期為T(mén)s，占空比為D，電感L1的最小值L1th：</p>

22、;<p><b>　?。?4） </b></p><p>　　2）輸出電感L2最小值的計(jì)算</p><p>　　電感L2的電流臨界連續(xù)時(shí)，IL2min=0，得出電感L2的最小值L2th：</p><p><b>　　（15） </b></p><p>　　2.2 軟開(kāi)關(guān)電路參

23、數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)將軟開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)中吸收的能量完全釋放至負(fù)載端，從而實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)工作條件。</p><p>　　對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，關(guān)斷總損耗為：</p><p><b>　　（16）</b></p><p>　　式中 Rg為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻；Ccg為發(fā)射極-柵極極

24、間電容；Uplateau為門(mén)極閥值穩(wěn)定電壓，ton為開(kāi)關(guān)管電壓線性減小到零的時(shí)間，IVS關(guān)管關(guān)斷前電流，UVS關(guān)管開(kāi)通前電壓[9]。</p><p>　　由式(16)可見(jiàn)，VS的關(guān)斷損耗隨Cr的增大而減小，但當(dāng)Cr增大到一定值后，對(duì)關(guān)斷損耗的影響較小，并且軟開(kāi)關(guān)的暫態(tài)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間將超出占空比的允許范圍[10]。因而Cr一般取最優(yōu)值：</p><p><b>　?。?7）&

25、lt;/b></p><p>　　式中 tf為開(kāi)關(guān)管的電流下降時(shí)間。</p><p>　　要確保實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，Cr和Lr諧振周期要小于開(kāi)關(guān)周期Ts的某一倍數(shù)k（0<k<1），即：</p><p><b>　　（18） </b></p><p>　　式中 ωr為諧振頻率，因?yàn)門(mén)ron<=DTs,

26、Troff<=(1-D)Ts，所以k值必須滿足兩個(gè)不等式的上限約束。再由k值和Cropt求出最優(yōu)的Lropt：</p><p><b>　?。?9） </b></p><p>　　Cs在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)被近似看成一個(gè)恒壓源，取值需遠(yuǎn)大于Cr。而Ls往往取數(shù)倍于Lr，且需滿足Ls和Cs的諧振周期遠(yuǎn)大于變換器的開(kāi)關(guān)周期。</p><p><

27、;b>　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　采用圖1所示無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，研制了一臺(tái)400 W的Cuk變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，輸入為交流110V/50Hz，輸出為直流120V，開(kāi)關(guān)頻率為25 kHz，開(kāi)關(guān)管VS采用IkW15N60H3型IGBT，二極管VD~VD3均采用DSEP30-06BR快恢復(fù)二極管，如圖4所示。通過(guò)反復(fù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，最終選?。篖1=L2=1.2 mH，C1=4.7 μF，L

28、r=9 μH，Ls=40 μH，Cr=15 nF，Cs=4.7μF。</p><p>　　圖4 新型Cuk變換器實(shí)物圖</p><p>　　Fig.4 Photograph of the circuitnew Cuk converter</p><p>　　圖5為開(kāi)關(guān)管電流和電壓的波形對(duì)比圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)與無(wú)源有損緩沖器相比，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗減小至

29、原有的8%，電流尖峰下降為原有的60%；開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗減小至原有的50%，電壓尖峰下降為原有的75%。圖6為兩類(lèi)變換器結(jié)構(gòu)效率比較。在400W時(shí)，變換器效率由原有的90.7%提升至92.2%。</p><p>　　圖5 開(kāi)關(guān)管電流和電壓波形對(duì)比圖</p><p>　　Fig.5 Comparison diagram of Switching switching current and v

30、oltage waveforms of the circuit</p><p>　　圖6 兩類(lèi)變換器結(jié)構(gòu)效率比較</p><p>　　Fig.6 Efficiency Comparison comparison of two kinds of converter structureefficiency</p><p><b>　　4 結(jié)束語(yǔ)</b&g

31、t;</p><p>　　設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Cuk變換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種變換器實(shí)現(xiàn)了在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的ZCS(零電流開(kāi)通)和關(guān)斷時(shí)的近似ZVS(零電壓關(guān)斷)，并能抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流。與傳統(tǒng)的無(wú)源有損緩沖器相比，有效降低了開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流和電壓尖峰，減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的工作效率。該變換器適合多種應(yīng)用領(lǐng)域，如高效率開(kāi)關(guān)電源，光伏DC/DC變換器，功率因數(shù)校正電路及電池充電器等。

32、</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 付炎炎, 王明渝, 劉洋. 一種新穎的雙頻Boost變換器[J]. 電測(cè)與儀表, 2012, 49(1): 82-86.</p><p>　　Fu Yanyan, Wang Mingyu, Liu Yang. A novel double frequency boos

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43、t;　　Wu Yao, Zhang Xing, Zhou Xiaoyi. Research on NMVS passive lossless snubber circuit[J]. Power Electronics, 2007, 41(3): 49-53.</p><p><b>　　作者簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　鄭萬(wàn)里（1990—），男，碩士研究生，研究

44、方向?yàn)镈C/DC變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。</p><p>　　Email: patrickbiao@ 126.com。</p><p>　　佃松宜（1972—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮油負(fù)渑c控制。</p><p>　　鄧翔（1987—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮油負(fù)渑c控制。</p><p>　　收稿日期:2014－05－