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一種新穎的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的分析與工程設計
摘要：詳細分析了一種新穎的具有較強工程實(shí)用價(jià)值的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的工作過(guò)程，并給出了其設計方法。一臺400V輸入，110V/10A輸出的帶有該電路的Buck變換器驗證了無(wú)源無(wú)損緩沖電路的分析和工程設計。1 概述
在各種形式的開(kāi)關(guān)變流器中，為了減小功率管的電流、電壓及熱應力，降低損耗，提高變流器效率，減小電磁干擾，提高開(kāi)關(guān)頻率和增加變流器功率密度，廣泛采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。作為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一種，無(wú)源無(wú)損緩沖電路通過(guò)在主電路中附加電容、電感及二極管等無(wú)源元器件，使主開(kāi)關(guān)具有零電壓、零電流開(kāi)關(guān)條件，并且由于能將緩沖電路上的儲能全部傳遞給負載，從理論上講緩沖電路是沒(méi)有損耗的，這也有利于提高變換器的效率。
圖1中所示的是一種新穎的無(wú)源無(wú)損緩沖電路拓撲，可分別應用于Buck電路和Boost電路，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率和中大功率場(chǎng)合。該緩沖電路能使主開(kāi)關(guān)S在零電流開(kāi)通（ZCON）和零電壓關(guān)斷（ZVOFF）條件下工作，極大降低了開(kāi)關(guān)管在這種同時(shí)處于高電壓和大電流換流條件下的電路中所承受的應力，而且還能有效地抑制主二極管D的反向恢復電流。這種緩沖電路拓撲相對簡(jiǎn)單，使用的元器件數目較少，具有較強的工程實(shí)用價(jià)值。2無(wú)源無(wú)損緩沖電路工作過(guò)程分析以Buck電路為例，圖2和圖3分別描繪了該無(wú)源無(wú)損緩沖電路各階段的工作過(guò)程與相應波形。
圖2
階段1〔t0，t1〕——零電流開(kāi)通t0時(shí)刻S導通，由于緩沖電感Lr的存在，開(kāi)關(guān)管中的電流緩慢上升，S獲得了零電流開(kāi)通（ZCON）條件。該階段中，輸入電壓直接施加在Lr上，其電流線(xiàn)性下降，因此S中的電流線(xiàn)性上升。另一方面，階段1也是D進(jìn)行反向恢復的過(guò)程。由于Lr的存在，極大抑制了D的反向恢復電流，并使反向恢復過(guò)程中的電壓尖峰大大削弱。在分析中不考慮反向恢復過(guò)程，t1時(shí)刻當Lr中的電流下降到零時(shí)D截止，階段2開(kāi)始。
階段2〔t1，t2〕——Cr復位t1時(shí)刻Cr上電壓為Vin，Cs上電壓為0，通過(guò)Lr的電流為0。在由S，Lr，Cs，Ds2，Cr構成的諧振回路中，Cr中的電荷將通過(guò)Cs和Lr釋放掉，Cs上電壓開(kāi)始上升，D開(kāi)始承受反向壓降，其變化規律滿(mǎn)足式（1），即
vD=Vin－vCr＋vCs （1）
t2時(shí)刻Cr上的電壓降為0，為S的零電壓關(guān)斷（ZVOFF）創(chuàng )造條件，這時(shí)通過(guò)S的電流達到最大值，即
同時(shí)Lr上的電流也達到反向最大值。
階段3〔t2，t3〕——Lr復位t2時(shí)刻當Cr上的電壓降為0后，Ds1導通，此時(shí)Lr上的電流最大。Lr和Cs通過(guò)Ds1及Ds2構成諧振回路，存貯在Lr中的能量通過(guò)諧振釋放到Cs中，Cs上的電壓繼續上升。由于Lr僅同Cs進(jìn)行諧振，因此階段3的持續時(shí)間要長(cháng)于階段2。t3時(shí)刻當Lr中電流降為0，Ds1及Ds2截止，諧振過(guò)程結束。Cs上的電壓達到最大值，即
在此階段中，D所承受反向電壓的變化規律為
vD=Vin＋vCs （4）
階段4〔t3，t4〕緩沖電路停止工作，電路進(jìn)入正常的PWM開(kāi)通階段。與普通硬開(kāi)關(guān)PWMBuck電路導通階段不同的是，由于在本階段開(kāi)始時(shí)D承受的反向電壓達到峰值并大于輸入電壓Vin，這并不是一個(gè)穩定的狀態(tài)，這部分多余的能量將通過(guò)D的結電容與Lr經(jīng)Vin構成諧振回路而釋放掉，vD振蕩下降，到t4時(shí)刻穩定在輸入電壓Vin。
階段5〔t4，t5〕——零電壓關(guān)斷t4時(shí)刻vgs=0，由于Cr的存在，S獲得了零電壓關(guān)斷（ZVOFF）。S關(guān)斷后，電流I全部轉移到Cr中，其端電壓迅速上升。t5時(shí)刻當其電壓上升到（Vin－vCs?peak）時(shí)，本階段結束，階段6開(kāi)始。
階段6〔t5，t6〕t5時(shí)刻Ds3導通，Cs開(kāi)始放電，通過(guò)Lr的電流逐漸增大。同時(shí)Cr繼續充電。為了在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中使S獲得零電流開(kāi)通條件，Cr的端電壓必須在本階段中達到輸入電壓Vin，為此需要滿(mǎn)足式（5），即
若式（5）中的I=Imin，則式（5）轉換為
(Imax/Imin)
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