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1、Study of Passive Soft-Switching Method with Direct Regeneration,直接馈能的无源软开关方法的研究,福州大学电气工程与自动化学院,林周布 Email:,主要内容：1 论文背景介绍2瞬态能量馈能中存在的不可逆性问题3电荷泵方法处理瞬态能量的馈能复位4电荷泵新技术的结论,直接馈能的无源软开关方法的研究,1 论文背景介绍,为了克服硬开关变换器的缺陷，提出了许多软开关方法。其中无源软开关方法，是利用主控开关PWM通断状态的变化，结合R、D、C无源元器件而设法构成无源缓冲型软开关电路。由于不用额外的有源辅助开关和相应的控制、检测、驱动电路，就有
2、较低的成本、较高的可靠性，而且还可能获得接近于有源软开关方法的效果而得到人们的重视。,1 论文背景介绍,这类技术在非隔离型变换器上获得了良好的效果。然而，在多数隔离型变换器上却不尽人意。主要原因有这些：隔离型变换器是采用高频变压器的电压源型DC/DC，要求缓冲电路与输出电路无关，而且能量最好通过变压器电路直接回馈给输入电压源；如果要求馈能通道只能是输入电压源，那么无源软开关电路很难简单地实现，这里的技术难题是暂态缓冲能量的置零复位。,暂态缓冲能量的复位技术,许多无源软开关技术是设法利用辅助的电感器与电容器进行电磁能量的单向传递，完成暂态能量的复位。由于LC间的谐振能交换在理论上是百分之百的，因
3、此一般认为LC谐振方法传递电磁能是完全无损可逆的。这种方法虽然没有变压器漏感产生的不良影响问题，但也存在一些缺陷。,利用LC间谐振能的可逆交换原理实现暂态能量复位技术的缺陷,用于能量交换、传递的电感、电容元件较大，不利于电路微型化；能量交换、传递的回路较多、不简捷，造成缓冲回路相互影响大、元件参数设计复杂，对主开关不利；电感器是品质因数Q较低的元件，其实际损耗不容忽视。,小结,这些缺陷及附加成本导致隔离型无源软开关技术难以与传统L+RDC有损缓冲技术竞争。为此，寻找传统缓冲电路的更好的替代技术或性价比更优越的软开关电路一直是电力电子技术领域的热门研发课题。,本文目的,从物理本质上认识开关变换器
4、中非线性瞬态能量传递中存在的不可逆性问题，由此提出一种新型的能适用于隔离型变换器的无源低损缓冲型软开关方法，目的是用较少的无源元器件、较低的成本，并以简捷馈能方式而使为缓冲用的储能元件获得能量为零而复位，来达到软开关电路要求。,2瞬态能量馈能中存在的不可逆性问题,高频PWM变换器必然存在着较为严重的暂态能量不可逆性传递问题。这个不可逆性的物理意义是指变换器中的电能不可能百分之百地完全被传递，其中必有部分能量被电路元件消耗造成发热，或耗散在电磁场中成为EMI干扰源。,瞬态能量传递的不可逆性例子,当电子开关高速工作时，对包含有分布电容、漏电感以及半导体器件的反向恢复电荷、miller电荷等电路的电
5、压或电流的微分效应，也同时产生了较大的瞬态能量。虽然理论上，用软开关电路可以无损可逆地处理这些瞬态电磁能量，但是电路中必然存在这些变化量很大的瞬态电流环路与电压支路。从电动力学观点，这些潜在的“天线”必会出现一些电磁场效应，这是瞬态能量处理中的可能存在的不可逆性问题。,缓冲电感器测试的波形图例子,图2为用高Q值的红白色铁粉芯环制作的缓冲电感器测试的波形图。图3为用低Q值的黄白色铁粉芯环（100kHz时的损耗为前者的4倍）制作的缓冲电感器测试的波形图。虽然图2的红白色铁粉芯环发热很低，但是波形图中出现明显的高频振荡，而图3的黄白色铁粉芯环虽然很热，但是波形图则“干净“得多。,处理瞬态能量时出现能
6、量传递的不可逆性例子,许多软开关电路特别添加了有损的饱和电感器来吸收多余的瞬态能量，有的则用稳压管等器件吸收瞬态电压尖峰。下图为文献报道的ZVT软开关实验电路图。,从物理本质来看瞬态能量的再生处理的不可逆性,电子开关过渡期间产生的瞬态能量的再生处理，类似热力学中热能转换的不可逆性问题。例如开关管的关断并联缓冲电容器对输入电压源的能量再生复位，也就是将电场能从电容器直接向有一定电势的电压源传递，其本质是能量转换的一个不可逆性物理问题。在没有其它元件（如电感器、有源开关）参与下，不可以把该电路中的缓冲电容器上的电荷，百分之百地传递给有一定电势的电压源。,认识瞬态能量传递的不可逆性问题的意义,认识这
7、个不可逆性问题的性质与特点，也就对瞬态能量的优化处理有了较全面透彻的理解，这就开拓了一条研发绿色高频电力变换与控制技术的新途径。由此对瞬态能量的处理将就不限于只用传统的LC谐振、电流源与电压源之间的无损传递馈能方式。,3电荷泵方法处理瞬态能量的馈能复位,本文以工作在100kHz的以功率MOSFET为主控开关的电感电流连续式Boost电路作为研究实例。这是因为它作为电感续流嵌位性质负载的电路，包含了硬开关电路的典型缺陷问题；而且该电路的无源无损软开关技术是成熟的。更重要的是，它的电路拓扑与单端隔离型变换器相似，只要将暂态缓冲能量直接对输入电压源馈能，就能方便地应用于隔离型变换器。通过输出功率从5
8、0W到600W的比较实验测试，就能对各缓冲电路的性能特性进行分析。分述如下：,Boost硬开关变换器电路图a,下图左边为典型的Boost硬开关电路图。右边为对电子开关管的电压、电流测试波形图。硬开关过渡的特点是：开通时电流上升到最大时，电压才开始下降；关断时电压上升到最大时，电流才下降。,iVT,uVT,图a,传统L+RDC有损缓冲电路图b,图中Lr作为开通缓冲，Cr、Dr1、R作为关断缓冲,图b,传统L+RDC电路b测试波形图,图中测试示波器探头ch1为uVT、ch2为uLr、ch3为IVT、ch4为iR。从电流波形可以看出电容放电复位时产生了附加的开通涌流。,uVT,uLr,IVT,iR,
9、作者早期提出的一种可直接馈能的无源无损软开关电路图c,馈能通道,图c,IVT,uVT,无源无损软开关电路c测试波形图,它的主要缺点是馈能通道要受电路特性限制，因此不能应用在隔离型DC/DC变换器上。,ILa,uCr,提出的电荷泵低损缓冲新电路图d,新缓冲网络仅附加一个由Dr+Cs/Rd+Na组成的馈能电路，共5个无源元件（利用了MOSFET的输出电容）构成基本缓冲与复位馈能单元。网络中的电阻Rd与电容Cs并联，设计时Cs取值较大，使瞬态能量大部分通过Cs，Rd损耗很低。新网络用低损电荷泵方式，取代有损缓冲器的大功率耗能复位电阻器而成为其电路特征。,馈能通道,图d,关断缓冲通道,电荷泵低损缓冲电
10、路d测试波形图,左下图中测试示波器探头ch1为uvT、ch2为uCs、ch3为iLa、ch4为iVT。右下图中测试示波器探头ch1为uvT、ch2为uD、ch3为iD、ch4为iVT。,电荷泵低损缓冲电路d测试结果分析,从测试波形来看，由于电阻器两端的电压很低（低于20V），而电阻值为720欧姆，因此在电阻器上消耗的功率很小，而且低压电容器虽然容量较大但体积却很小，满足了微型化要求。此外，叠加在开关管上的电压尖峰几乎没有。但是，在过渡期间存在类似阻性负载情况下的开关管的电压、电流波形交错重叠。在较大输出电流时关断缓冲效果较差。,提出的电荷泵低损缓冲型软开关新电路图e,对图d的改善是图e。这里增
11、加了Dr、Cr两无源元件，加强了对开关管VT的关断缓冲。取Cs量值为100倍的Cr，Rd用于将馈能通道Cs上吸收的电荷增量泄放掉。,图e,提出的电荷泵低损缓冲型软开关电路e测试波形图,左下图中测试示波器探头ch1为uvTch3为iVTch4为iLa ch2为uCs,各缓冲电路特性比较表,除了缓冲电路不同外，在其它电路条件相同下，对各电路进行理论比较分析与测试比较验证，得出测试相对结果列表如下：,4.电荷泵新技术的结论,1.基于暂态能量不可逆性质的研究，可以得出电荷泵馈能缓冲技术，构成可以应用的缓冲式图d电路与软开关式图e电路两种。2.它们共同特点是：馈能电路直接与源输入端连接而与负载输出端无关
12、，因此有较简洁的电路拓扑、能直接馈能、基本不受PWM工作范围限制等优点。,电荷泵新技术的结论,3.缓冲式图d电路结构较简单、成本较低、无电压尖峰，可以取代用功率MOSFET的有损缓冲电路，适用于较低功率级、有隔离变压器的电路。4.软开关式图e电路可以较好地解决电力电子器件的过渡缓冲问题，是一种适用于较高功率级、有隔离变压器的电路。5.在软开关电路理论中，对暂态能量传递的不可逆性的研究，有助于获得拓扑简洁、能直接馈能、电磁干扰较低的技术。,优惠的条件征求国内实业家合作,本人愿以优惠的条件，转让以下有自主知识产权的新技术。一种新型的柔性电器装置技术。其特点是能实时检测电磁开关触头状态，高频电力电子器件仅在开关暂态瞬间与普通电磁开关互补使用，作为无电弧开关，以低成本、微型化以及完全兼容等特性，有效地改善电磁开关的动态性能特性，使普通交流接触器，能可靠地作为直流接触器或分断电容器接触器等特殊开关使用。适用于变换器、逆变器的无源缓冲型软开关技术。联系名址：,谢谢！,
