CN113098303A - 一种新型zvszcs维也纳整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型ZVSZCS维也纳整流器，该维也纳整流器的电路结构包括维也纳整流器基本电路以及一个辅助电路，所述的维也纳整流器基本电路由四个整流二级管、两个直流环节电容器以及两个主开关构成，所述的辅助电路连接在两个主开关两端，由一个谐振电感、一个变压器、两个辅助开关和四个阻塞二极管组成。与现有技术相比，本发明具有功率密度高、软开关性能好等优点，更适用于高直流链输出电压的应用场合中。

Description

一种新型ZVSZCS维也纳整流器
技术领域
本发明涉及电路拓扑技术领域，尤其是涉及一种新型ZVSZCS维也纳整流器。
背景技术
在现有的技术中，存在很多电路拓扑采用有源和无源缓冲电路来产生半导体器件和整流二极管的软开关条件，这些缓冲电路是用于限制二极管电流的变化率，并为电路的半导体元件创造软开关条件，现有技术中提出的采用有源缓冲电路的变换器电路，除了开关导通和整流器关断的软开关外，还具有减小的电流和电压应力，然而，有源缓冲电路的辅助开关具有较高的电流应力，并且在硬开关条件下工作。
在文献C.M.C.Duarte and I.Barbi,“An improved family of ZVS-PWM active-clamping dc-to-dc converters,”in Conf.Rec.IEEE PESC’98,May 1998,pp.669–675.描述的boost拓扑结构中，主开关和辅助开关都在软开关条件下工作，但是，主开关的电压应力要高很多，这需要通过适当选择缓冲电感值和开关频率来控制，此外，门极驱动电路要求复杂、价格昂贵且不易控制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型ZVSZCS维也纳整流器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型ZVSZCS维也纳整流器，该维也纳整流器的电路结构包括维也纳整流器基本电路以及一个辅助电路，所述的维也纳整流器基本电路由四个整流二级管、两个直流环节电容器以及两个主开关构成，所述的辅助电路连接在两个主开关两端，由一个谐振电感、一个变压器、两个辅助开关和四个阻塞二极管组成。
在维也纳整流器基本电路中，电源依次经过线路电感、第一主开关和第二主开关后接地，并且通过两个直流环节电容器后与负载的正负两端连接，四个整流二级管构成整流桥结构。
在辅助电路中，所述的电源依次通过谐振电感和变压器的一次绕组后连接到第二阻塞二极管与第四阻塞二极管之间，并且电源在通过变压器的一次绕组后，再依次通过反向连接的第一辅助开关和第二辅助开关后连接到第二主开关和地之间，所述的变压器的二次绕组一端连接到第一阻塞二极管与第三阻塞二极管之间，另一端连接到第二主开关和地之间。
所述的第二阻塞二极管和第三阻塞二极管为快速恢复二极管，用以避免第一辅助开关和第二辅助开关接通时的反向恢复损耗。
所述的第一辅助开关和第二辅助开关均为低功率半导体器件。
当第一主开关和第一辅助开关均被关闭后，电源通过第一整流二极管传输到负载，施加在第一主开关上的电压等于第一直流环节电容器两端的电压V01，当栅极信号被施加在第一辅助开关时，电源输入电流除流经第一整流二级管D1外，还继续流过谐振电感、变压器的一次绕组和第一辅助开关后返回到电源。
当电流流过变压器的一次绕组时，在变压器的二次绕组中产生感应电流，此时，变压器的一次绕组上施加的电压为V01，使得变压器的一次绕组上的反射电压等于nV01，其中，n为变压器的变比，通过谐振电感的电流从0线性增加到最终值Ii的速率与流过第一整流二极管的电流从Ii降到0的速率相同，则第一二极管电流iD1减小的速率为：
Figure BDA0003005652110000021
其中，Ls为谐振电感值，t为时间。
当通过第一整流二极管的电流iD1为零时，通过谐振电感的电流达到Ii，当谐振电感电流达到Ii后，第一主开关的输出电容与谐振电感之间发生谐振现象，使谐振电感电流上升到Ii以上，直至满足nV01＞Vs1的条件，其中，Vs1为第一主开关的电压，则输出电容继续通过谐振电感放电的速率为：
Figure BDA0003005652110000022
第一主开关的输出电容继续放电，当n＜1/2时达到零，之后第一主开关的反向并联二极管开始导通，第一主开关的漏级电压为零，使其能够在零电压开关下开启，对于第一主开关的零电压开关导通，需要满足的条件为n＜1/2，所需时间为[cos-1(n/(1-n))]/w，其中，中间参数
Figure BDA0003005652110000023
谐振电感电流iLs的减小速率为：
Figure BDA0003005652110000031
此时，第一辅助开关中的电流也以
Figure BDA0003005652110000032
的速率减小。
通过选择变压器变比n以及谐振电感值Ls，实现对通过二极管D1电流关断率的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、在本发明中，辅助开关的缓冲电感通过控制整流二极管的ID的变化速率降低了整流二极管的反向混响损耗，另外，缓冲电感中储存的能量被用来在主开关打开前将输出电容放电至零，从而产生零电容导通开关损耗，当主开关断开时，有源缓冲电路的辅助开关和电容器为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径，有效解决了整流二极管结电容与缓冲电感相互作用引起的振铃问题。
二、该变换器通过辅助电路实现软开关的近乎无损开关，在连续和非连续工作模式下都能提高效率和性能，辅助电路以低压和高频工作，从而减小了转换器尺寸，功率密度高、性能好，更适用于高直流链输出电压的应用场合中。
附图说明
图1为本发明的电路原理图，其中，灰色部分为辅助电路。
图2为简化后的分析电路原理图。
图3为该维也纳整流器在正半线周期内的工作模式，其中，图(3a)为第一阶段，图(3b)为第二阶段，图(3c)为第三阶段，图(3d)为第四阶段，图(3e)为第五阶段，图(3f)为第六阶段，图(3g)为第七阶段，图(3h)为第八阶段。
图4为该维也纳整流器在正半线周期内的行为的关键波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提出一种新型ZVSZCS维也纳整流器，在该整流器中，辅助电路用以为维也纳整流器电路中的半导体元件创造软开关条件，该辅助电路由谐振电感Ls、变压器Tr、两个辅助开关Ss1和Ss2以及四个阻塞二极管Ds1-Ds4组成。
由于在一个周期的半个开关周期内工作相同，因此只考虑在正半周期内工作的电路，阻塞二极管Ds1和Ds3用于传输单向功率，Ds2和Ds4将谐振电感Ls中的剩余能量释放给负载RL，本例中，阻塞二极管Ds2和Ds3使用的是快速恢复二极管，用以避免辅助开关Ss1和Ss2接通时的反向恢复损耗，变压器保护辅助开关Ss1和Ss2在关闭时发生故障，线路电感L、整流二极管D1和D2、半导体主开关S1和S2和输出直流环节电容C01和C01构成维也纳变换器。
与维也纳整流器的主要基本元件S1和S2以及D1和D2相比，辅助开关Ss1和Ss2以及阻塞二极管Ds1-Ds4采用的是低功率半导体器件。
对拟建整流器的分析作以下假设：
(1)线路电感器足够大，通过的电流在开关间隔期间不会改变，因此可以用恒流源代替。
(2)输出直流环节电容C01和C02由直流电压源V01和V02代替。
(3)忽略半导体导通电阻。
由于运行的对称性，本例中只进行线电压正半周的分析，本发明的ZVSZCS维也纳整流器电路在正半周期内的工作模式如图3所示，图4显示了该ZVSZCS维也纳整流器电路在正半周期内行为的关键波形。
最初，第一主开关S1和辅助开关Ss1都被关闭，电源的电能通过第一整流二极管D1传输到负载，如图(3h)所示。施加在第一主开关S1上的电压等于V01，当栅极信号被施加在辅助开关Ss1时，输入电流除了流经第一整流二级管D1外，还继续流过谐振电感Ls、变压器Tr的一次绕组、第一辅助开关Ss1，并返回到输入电源。
流过变压器Tr一次绕组的电流在变压器Tr的二次绕组中产生电流，变压器Tr的二次绕组上施加的电压为V01，这导致变压器Tr的一次绕组上的反射电压等于nV01，其中，n为变压器的变比。通过谐振电感Ls的电流从0线性增加到最终值Ii的速率与通过第一整流二极管D1从Ii降到0的速率相同，因为Ii＝iD1+iLs，因此，第一二极管电流iD1减小的速率由公式(1)给出，如下所示：
Figure BDA0003005652110000041
通过选择适当的变压器的变比n和谐振电感Ls的值，可以调节通过二极管D1的电流关断率。
当通过第一整流二极管D1的电流为零时，通过谐振电感Ls的电流达到Ii，当谐振电感电流达到Ii后，第一主开关S1的输出电容Cs与谐振电感Ls之间发生谐振现象，使谐振电感电流上升到Ii以上，直至满足nV01>Vs1的条件，其中，Vs1为第一主开关S1的电压，输出电容Cs继续通过谐振电感Ls放电的速率如下所示：
Figure BDA0003005652110000051
流经第一辅助开关Ss1的峰值电流为电源电流Ii与流经谐振电感Ls的峰值谐振电流的总和。
第一主开关S1的输出电容Cs继续放电，当n<1/2时达到零。然后，第一主开关S1的反向并联二极管开始导通，第一主开关S1的漏级电压为零，可以在零电压开关(ZVS)下开启，对于第一主开关S1的ZVS导通，需要满足的条件是n<1/2，所需时间为[cos-1(n和(1-n))]/w，其中
Figure BDA0003005652110000052
谐振电感器电流iLs以公式(3)给出的速率减小，如下所示：
Figure BDA0003005652110000053
因此，第一辅助开关Ss1中的电流也以公式(3)给定的速率减小。当谐振电感Ls中的电流降到最小值并几乎为零时，辅助开关Ss1被硬关断，残余电流很小，流过第二阻塞二极管Ds2，在实际变压器中，剩余电流等于变压器的励磁电流。为了将此电流减小到最小值，磁化电感应保持足够大，因此，可以认为辅助开关Ss1可以被关断，电流接近于零，等于磁化电流值。
此时，输入电流Ii流过第一主开关S1，直到施加栅极信号，当栅极信号被移除时，其输出电容开始充电，导致第一主开关S1的ZVS关断，同时，第一整流二极管D1自然导通，通过第一主开关S1的输出电容Cs的电压等于输入电压，并以此循环重复。

Claims (10)

1.一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，该维也纳整流器的电路结构包括维也纳整流器基本电路以及一个辅助电路，所述的维也纳整流器基本电路由四个整流二级管、两个直流环节电容器以及两个主开关构成，所述的辅助电路连接在两个主开关两端，由一个谐振电感(Ls)、一个变压器(Tr)、两个辅助开关和四个阻塞二极管组成。
2.根据权利要求1所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，在维也纳整流器基本电路中，电源依次经过线路电感(L)、第一主开关(S1)和第二主开关(S2)后接地，并且通过两个直流环节电容器后与负载(RL)的正负两端连接，四个整流二级管构成整流桥结构。
3.根据权利要求1所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，在辅助电路中，所述的电源依次通过谐振电感(Ls)和变压器(Tr)的一次绕组后连接到第二阻塞二极管(Ds2)与第四阻塞二极管(Ds4)之间，并且电源在通过变压器(Tr)的一次绕组后，再依次通过反向连接的第一辅助开关(Ss1)和第二辅助开关(Ss2)后连接到第二主开关(S2)和地之间，所述的变压器(Tr)的二次绕组一端连接到第一阻塞二极管(Ds1)与第三阻塞二极管(Ds3)之间，另一端连接到第二主开关(S2)和地之间。
4.根据权利要求3所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，所述的第二阻塞二极管(Ds2)和第三阻塞二极管(Ds3)为快速恢复二极管，用以避免第一辅助开关(Ss1)和第二辅助开关(Ss2)接通时的反向恢复损耗。
5.根据权利要求3所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，所述的第一辅助开关(Ss1)和第二辅助开关(Ss2)均为低功率半导体器件。
6.根据权利要求3所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，当第一主开关(S1)和第一辅助开关(Ss1)均被关闭后，电源通过第一整流二极管(D1)传输到负载，施加在第一主开关(S1)上的电压等于第一直流环节电容器两端的电压V01，当栅极信号被施加在第一辅助开关(Ss1)时，电源输入电流除流经第一整流二级管D1外，还继续流过谐振电感(Ls)、变压器(Tr)的一次绕组和第一辅助开关(Ss1)后返回到电源。
7.根据权利要求6所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，当电流流过变压器(Tr)的一次绕组时，在变压器(Tr)的二次绕组中产生感应电流，此时，变压器(Tr)的一次绕组上施加的电压为V01，使得变压器(Tr)的一次绕组上的反射电压等于nV01，其中，n为变压器(Tr)的变比，通过谐振电感(Ls)的电流从0线性增加到最终值Ii的速率与流过第一整流二极管(D1)的电流从Ii降到0的速率相同，则第一二极管电流iD1减小的速率为：
Figure FDA0003005652100000021
其中，Ls为谐振电感值，t为时间。
8.根据权利要求7所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，当通过第一整流二极管(D1)的电流iD1为零时，通过谐振电感(Ls)的电流达到Ii，当谐振电感电流达到Ii后，第一主开关(S1)的输出电容(Cs)与谐振电感(Ls)之间发生谐振现象，使谐振电感电流上升到Ii以上，直至满足nV01>Vs1的条件，其中，Vs1为第一主开关(S1)的电压，则输出电容(Cs)继续通过谐振电感(Ls)放电的速率为：
Figure FDA0003005652100000022
9.根据权利要求8所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，第一主开关(S1)的输出电容(Cs)继续放电，当n<1/2时达到零，之后第一主开关(S1)的反向并联二极管开始导通，第一主开关(S1)的漏级电压为零，使其能够在零电压开关下开启，对于第一主开关(S1)的零电压开关导通，需要满足的条件为n<1/2，所需时间为[cos-1(n/(1-n))]/w，其中，中间参数
Figure FDA0003005652100000023
谐振电感电流iLs的减小速率为：
Figure FDA0003005652100000024
此时，第一辅助开关(Ss1)中的电流也以
Figure FDA0003005652100000025
的速率减小。
10.根据权利要求7所述的一种新型ZVSZCS维也纳整流器，其特征在于，通过选择变压器变比n以及谐振电感值Ls，实现对通过二极管D1电流关断率的控制。
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