一种新型功率开关无损耗缓冲电路_瑞达电器资料网,华玉生活

摘　要　介绍了一种新型功率开关缓冲电路的组成及工作原理，并对其工作状态进行了分析，并给出了一个实用电路。
关键词　开关电源　功率开关　无损耗　缓冲

1　引　言
　　开关电源具有供电稳定、效率高、体积小的优点，因此被广泛应用于要求提供大功率直流电源的场所，例如程控交换机、计算机网站、信号发射台等。大功率开关电源中，通常采用交流→直流→直流两级功率转换，如图1所示。其中，AC／DC、DC／DC这两级都采用功率开关进行功率变换。AC／DC包括整流、滤波以及开关变换升压电路。开关电源中，开关频率越高，电容器、电感器、变压器就可以做得越小，成本也越低；但同时，开关损耗也越大。对于大功率开关电源，功率开关导通—关断损耗在设备损耗中占的比例相当大。如何尽量减少开关损耗是电力电子设备改进的一个重要研究课题。为此人们设计出了各种各样的开关缓冲电路，包括谐振式ZVS、ZCS开关变换电路以及准谐振式开关变换电路，这些电路都能在一定程度上改善开关损耗的问题^［1］。

　
　　现在又研究出了一种功率开关无损耗缓冲电路的新技术。这种新型升压功率开关缓冲电路除了采用谐振式的零电流导通、零电压关断技术外，还采用了能量回馈技术。称它为无损耗缓冲电路，并非真的完全无损耗，只是相对于其它缓冲电路而言损耗更低。
2　功率开关无损耗缓冲电路
　　图2给出了这种技术的典型电路，这是一个AC／DC阶段的电路原理图，输入交流电经整流滤波后，成为直流电压V₁，再通过一个功率开关升压电路输出一个高电压V_L。SWB是功率开关（大功率MOSFET管），它的导通与关断受控制电路控制。L₁，C₁，C₂，D₁，D₂和D₃构成了无损耗缓冲回路。假设C₁＞＞C₂，例如C₁＝10C₂。

　　下面就该电路的工作状态进行分析。如图3所示，初始时刻通过二极管D_B到负载的电流为I_B，流过L₁、D₁、D₂、D₃、SWB以及C₁的电流都为0。C₂上的电压V₂近似等于V_L。在T₀时刻开关SWB导通，其电流I_SWB从0初值开始按公式（1）比例增长，而电压V_S快速降为0。因此它的导通功率损耗很低，从而实现了零电流导通（ZCS）。

　　
　　电流I_DB线性下降，在T₁时刻降为0后继续下降，直到在T₂时刻等于二极管反向恢复电流达I_R时D_B关断。此时D₂导通，电压V₁，V₂和V₃开始下降，C₂开始放电，放电电流等于I_B－I_L1，电压趋向于0，而L₁上的电流增加。到T₃时刻，V₁减小为零。由于电容C₁在T₂～T₃这一时期储存有能量，使得电压V₂和V₃仍然是正值。在T₃～T₄期间，L₁上的电压变为负值，电流I_L1开始减小，然而通过C₁和C₂的电流仍然等于I_B－I_L1。T₄时刻，C₂上的电压V₂过0点，存储在C₂中的能量已全部通过D₂传输到C₁。因此有：

　　
　　这时D₁导通，V₂和V₃被钳位于零电位（忽略SWB前后电压和D₁、D₂电压压降）。在T₄～T₅期间，L₁、C₁出现了一个1／4周期的谐振，L₁储存过剩能量。由于D_B的反向恢复电流和C₂的放电电流都传输到C₁，因此有：

可以看出因为有C₂的能量传输，即使I_R＝0，V_E（V_1（T5））仍然有正值，确保L₁在关断期间有一个复位。在T₅时刻，I_L1＝I_B，电流停止通过D₁、D₂传输到C₁，V₁从－V_E变为0，V₃从0变为V_E。
　　T₆时刻，SWB关断。电流经L₁、D₁流向C₂，SWB上的电压从0初值依照公式（4）线性增加，而电流迅速降为0，因此它的关断功率损耗很低。这就实现了零电压关断（ZVS）。

　　在T₇～T₈时间段，D₂和D₃前向偏置，钳位开关电压为输出电压V_L。L₁、C₁又出现一个1／4周期的谐振。L₁上的电压最初是－V_E，其电流从I_B开始下降；C₁释放电能，释放电流为I_L1－I_B。在T₈时刻，D₁和D₂关断；而C₁继续通过D₃释放电流直至其电压为0。最终D_B前向偏置，L₁和C₁复位，电路开始新一轮循环。
3　总结及应用
这个电路有几个显著的特点：

（1）SWB上的最大电压等于输出电压V_L。
　　（2）主要升压二极管D_B上的最大反向电压是V_L＋V_E，V_E与I_R、L₁、C₁和C₂的相对值有关。
　　（3）SWB的最大上升电流速率由L₁和V_L确定，它的导通损耗很低（ZCS）。
　　（4）SWB的最大上升电压速率由C₂确定，关断功率损耗和电压很低（ZVS）。
　　（5）L₁、C₂在开关周期储存能量，成功地控制电压、电流的上升速率。剩余能量被回送到输出，确保了充分的无损耗。
　　本文所介绍的这种电路曾经在大功率通信用开关电源中使用，效率提高的效果明显^［2］。图4给出了一个较为实际的例子，它对初始电路性能进行了一些改善。