高效率准谐振Buck变换器设计与研究

电感电流临界连续工作模式(BCM)Buck变换器,在电感电流下降到零时,输出滤波电感和开关管并联电容谐振即准谐振(Quasi Resonant)(QR)。在开关管两端电压谐振到零的时候开通开关管,则可以实现零电压零电流开通(ZVS/ZCS)。本文通过详细分析输出电感与开关管并联电容的谐振过程,得出开关管两端电压为零的时间,并且通过设计延时电路,以保证输入电压变化时依然能够实现零电压和零电流开通(ZVS/ZCS)。在开关管关断时由于开关管两端并联了谐振电容,可近似认为是零电压关断。而且Buck变换器工作于BCM模式时输出滤波电感体积小,动态响应速度变快,二极管自然关断,没有反向恢复损耗。最后设计了一台3kW的原理样机,最高效率可以达到98.7%。     

绕线转子同步电机用ZCS Buck励磁变换器

提出了一种适用于电励磁同步电机的零电流(ZCS)软开关Buck励磁变换器。为了减小励磁变换器的体积,利用转子绕组的等效电感作为Buck输出滤波电感。在此基础上,为了消除转子绕组寄生参数和Buck开关器件高频开关引起的励磁电流脉动噪声,提出一种传统Buck电路与耦合电感和谐振电容的组合结构。谐振回路的存在实现了功率开关器件的ZCS软开关,提高变换器效率的同时平滑输出电流,有效减小电磁干扰(EMI)。最后,通过PSIM仿真验证了所提变换器拓扑的有效性。     

一种新型降压谐振开关电容变换器

针对开关电容与二次型Buck变换器相结合形成的二次型开关电容Buck变换器(SC-QBC)存在开关管电压应力大、效率低的问题,提出了一种新型降压谐振开关电容变换器.该变换器是在SC-QBC的基础上,通过增加谐振电感、二极管和电容元件得到.与SC-QBC相比较,在降压特性变化不大的情况下,新型变换器的开关管的电压应力变小;增加的谐振电感通过与开关电容谐振,使第2级实现了开关管的零电流关断(ZCS),减小了开关损耗,提高了开关管的工作频率,有利于变换器的重量和尺寸的减小;同时,谐振回路上的二极管都能实现零电流关断,减小了二极管的反向恢复损耗.这些优点有利于器件的选择和效率的提高.最后,通过实验验证了理论分析的正确性.     

一种新型零电压转换三电平Buck变换器的研究

提出一种基于零电流转换(ZCT)的新型三电平Buck变换器拓扑.与传统Buck硬开关相比,此拓扑增加了一组由辅助开关管、谐振电感以及谐振电容组成的辅助支路,在开关占空比一定范围内可调的情况下,实现了功率开关管和辅助开关管的零电流开关(ZCS),同时实现主二极管的软换流.由于三电平自身的特性,主功率管的电压为输入电压的一半,适合于高电压大功率场合.在分析该变换器的工作原理基础上,研究了其工作特性,讨论和分析了主开关管实现ZCT的条件.基于Saber仿真软件验证了电路分析的正确性和设计的可行性.     

零电压开关多谐振三电平直流变换器

本文提出一族零电压开关多谐振三电平直流变换器(Zero-voltage-switching multi-resonant three-level converters，ZVS-MR-TLCs)，它是在三电平变换器的基础上加入LCC谐振网络实现ZVS，开关管和二极管的结电容以及变压器的漏感被利用。本文以Buck ZVS-MR-TLC为例分析它的工作原理和特性，并与传统的两电平零电压开关多谐振变换器(ZVS-MRC)进行比较。与两电平ZVS-MRC相比，ZVS-MR-TLC功率器件的电压应力降低，实现ZVS的负载范围变宽，滤波电感和滤波电容大大减小。最后给出了实验结果。     

零电压开关多谐振三电平直流变换器

该文提出一族零电压开关多谐振三电平直流变换器(Zero-voltage-switching multi-resonant three-leve lconverters，ZVS-MR-TLCs)，它是在三电平变换器的基础上加入LCC谐振网络实现ZVS，开关管和二极管的结电容以及变压器的漏感被利用。该文以Buck ZVS-MR-TLC为例分析它的工作原理和特性，并与传统的两电平零电压开关多谐振变换器(ZVS-MRC)进行比较。与两电平ZVS-MRC相比，ZVS-MR-TLC功率器件的电压应力降低，实现ZVS的负载范围变宽，滤波电感和滤波电容大大减小。最后给出了实验结果。     

ZVS半桥变换器的磁集成研究

为了减小高频时开关电源的开关损耗,提高变换器的效率和比功率,对传统的半桥变换器进行改造,增加谐振电感和谐振电容,通过谐振电感对并联在开关管两端的谐振电容的充、放电来实现开关管的零电压开关。为了减小开关电源中磁件的数量和体积采用平面磁集成技术将分立的谐振电感和变压器集成在同一个平面磁芯上。重点分析集成后ZVS半桥变换器的工作原理,研究谐振电感和变压器的集成方案。通过仿真和实验结果证明该方案的正确性和可行性。     

低通态损耗的ZCS-PWM变换器族

提出一种新型ZCS-PWM开关单元,并得到一族基于该开关单元的ZCS-PWM变换器.与传统的ZCS-PWM开关单元电路相比,新型ZCS-PWM开关单元不仅能在整个负载范围内实现所有开关管的零电流开关和所有二极管的零电压开关,而且主开关管的电流应力较低.此外,续流回路中仅有一个谐振电感和一个功率二极管,结构简单且具有较低的通态损耗.本文详细分析了基于该新型开关单元的Buck变换器的工作原理,并通过一台1000W、50kHz的原理样机验证了该零电流开关技术的可行性.     

一种新型低应力降压变换器

针对二次型Buck变换器开关管电压应力大、效率低的问题,提出了一种新型低应力降压变换器。该变换器在二次型Buck变换器的基础上,通过增加谐振电感、二极管和电容元件得到。理论分析表明,与二次型Buck变换器相比较,在降压特性变化不大的情况下,新型变换器的开关管和部分二极管的电压应力变小;增加的谐振电感使第二级实现了开关管的零电流关断(ZCS),减小了开关损耗,提高了开关管的工作频率,有利于变换器的重量和尺寸的减小;同时,与谐振电感串联的二极管能实现ZCS,减小了二极管的反向恢复损耗。这些优点有利于器件的选择和效率的提高。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。     

具有开关电感单元的电感磁集成Buck变换器

为了提高传统Buck变换器的降压能力、降低二极管电压应力及减小变换器损耗,将开关电感应用传统Buck变换器中,提出了一种具有开关电感的电感集成Buck变换器。利用开关电感替代传统Buck变换器中的储能电感,并对开关电感进行了耦合集成。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式,研究了电感串联等效电阻对变换器电压增益影响,并分析了二极管电压应力与电感电流纹波的大小。与传统Buck变换器相比,具有开关电感的电感集成Buck变换器的电压增益、二极管电压应力和电感电流纹波都减小到传统的1/(2-D)倍。样机实验结果验证了理论分析的正确性,表明具有开关电感的电感集成Buck变换器具有优良的综合性能。     

PWM零电直流变流器中一种新型的压零电流转换软开关单元

提出了一种新型的零电压零电流转换(ZVZCT)软开关单元，并基于该开关单元，构造了BuckZVZCTPWM变流器。该变流器实现了主开关管的零电压零电流开关，辅助开关管的零电流开通、零电压零电流关断，以及续流二极管的零电压零电流关断、零电压开通：不但适合于少子器件，而且适合于多子器件，同时保持PWM控制的特点。同时，该ZVZCT软开关单元可以推广到其它变流器之中，构造出新型ZVZCTPWM变流器族。进行详细的稳态分析、仿真分析和实验验证。实验结果完全验证了理论分析的正确性。     

PWM直流变流器中一种新型的零电压零电流转换软开关单元

提出了一种新型的零电压零电流转换(ZVZCT)软开关单元,并基于该开关单元,构造了Buck ZVZCT PWM变流器.该变流器实现了主开关管的零电压零电流开关,辅助开关管的零电流开通、零电压零电流关断,以及续流二极管的零电压零电流关断、零电压开通;不但适合于少子器件,而且适合于多子器件,同时保持PWM控制的特点.同时,该ZVZCT软开关单元可以推广到其它变流器之中,构造出新型ZVZCT PWM变流器族.进行详细的稳态分析、仿真分析和实验验证.实验结果完全验证了理论分析的正确性.     

基于耦合电感的新型Buck软开关的研究

针对传统Buck软开关变换器开关损耗大和轻载条件下效率低的缺点,提出了一种新型Buck软开关拓扑结构。通过在传统Buck软开关的拓扑结构中增加一个小电感、一个二极管和与主电感反向耦合的电感,实现了主开关在ZCS下的导通和关断,减小开关损耗,从而提高变换器的效率。最后对新拓扑结构的工作过程做了详细分析,并通过实验对分析过程进行了验证。     

适合大电流输入高压输出的软开关直流变换器

首先,提出了一种LLC谐振的软开关直流变换器,其中原边包含4个开关管、2个变压器绕组和1个耦合电容,并利用耦合电容构造了2个变压器绕组同时工作的回路,实现了两者的均流;副边包含2个二极管和2个谐振电容,构成了一个谐振式倍压电路;然后,利用变压器漏感、励磁电感和谐振电容产生LLC谐振来传递能量,各开关管能实现零电流开通,二极管零电流关断,且承受的反向电压为输出电压,关断损耗也很小;最后,分析了电路各阶段的工作原理,推导了电压增益特性,并设计了一款22~28 V输入、360 V输出、额定负载800 W的样机。实验测试结果证明,电路最高效率达到93.5%,同时也证明了电路的有效性。     

一种交错并联零电流软开关双向DC/DC变换器设计*

针对传统交错并联式双向DC/DC变换器在高频大功率工作时,开关管损耗大的问题,设计了一种零电流软开关交错并联式双向DC/DC变换器;通过在开关过程前后引入谐振,实现零电流开通和零电流关断,降低开关损耗;进一步分时段模态分析了Boost/Buck模式下的电路工作机理,并在其基础上提出了一种适用于特定占空比的改进型零电流软开关双向DC/DC变换器。最后,通过仿真对比,验证了所设计零电流软开关变换器能量转换效率得到了提高。     

一种新型的ZVZCS三电平变换器

提出一种零电压零电流软开关(ZVZCS)三电平直流变换器。该变换器以耦合电感取代常规滤波电感,耦合电感所感应出的电压通过功率变压器反射回初级,使变换器在零状态时的循环电流减小直至零,以实现内管的零电流关断。同时,通过改变耦合线圈的匝比,可任意设置用于电流回零的电压幅值大小,以调节电流回零时间。分析了该变换器的工作原理,并通过仿真和实验样机得以验证。     

基于耦合电感的零电压开关同步Buck变换器

在传统同步整流Buck变换器中,主开关管的硬开关和同步整流管体寄生二极管的反向恢复问题会导致严重的开关损耗和电磁干扰(EMI)。为避免上述缺点,提出一种基于耦合电感的新型同步Buck变换器,在全负载范围内实现了所有开关管的零电压软开关。详细分析该变换器的工作原理和特性,同时,采用变频调制方法以减小导通损耗,进一步提高变换器效率。最后,结合变换器的特性给出主电路参数的设计考虑,并通过原理样机实验验证了新型变换器的优点和理论分析的正确性。     

一种新颖的Buck-Boost变换器

提出了一种新颖的两开关电路拓扑，它能工作在宽输入交流电压范围，并实现功率因数校正(PFC)。新拓扑与单开关Buck—Boost变换器和传统的两开关串级Buck—Boost变换器及其它Buck—Boost变换器相比有显的性能改善，如：器件应力及损耗较低，不需要解决浪涌电流问题，电感尺寸也较小。分析了拓扑工作原理，并给出了实验结果。     

一种新颖的ZVT Boost变换器

脉宽调制（Pulse Width Modulation,简称PWM）Boost变换器被广泛用作DC/DC变换器和功率因数校正装置。提出了一种新颖的零电压转换（Zero Voltage Transition,简称ZVT）Boost变换器,利用能量反馈辅助电路实现了升压管的ZVT和升压二极管的软开关。辅助电路由辅助开关管、耦合电感（反激变压器）和反馈二极管构成。辅助开关管实现了零电流开通和近似零电压关断,变换器的效率较高,电磁干扰低。在辅助开关管关断时,耦合电感将谐振电路中的能量馈送至电源端,功率器件的电压电流应力较低,辅助电路的传导损耗较小。详细分析了该变换器的工作原理,并通过样机进行了验证。