打印本文 
关闭窗口 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VL。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DB到负载的电流为IB，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VL。在T0时刻开关SWB导通，其电流ISWB从0初值开始按公式（1）比例增长，而电压VS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IDB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IR时DB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IB－IL1，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IL1开始减小，然而通过C1和C2的电流仍然等于IB－IL1。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DB的反向恢复电流和C2的放电电流都传输到C1，因此有：
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VL。L1、C1又出现一个1／4周期的谐振。L1上的电压最初是－VE，其电流从IB开始下降；C1释放电能，释放电流为IL1－IB。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DB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VL。
（2）主要升压二极管DB上的最大反向电压是VL＋VE，VE与IR、L1、C1和C2的相对值有关。
（3）SWB的最大上升电流速率由L1和VL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。
图4 采用无损耗缓冲升压电路的实际例子
R1用于抑制在T4和T7时刻可能发生的谐振，加入R2和C3是为了减小在T2和T5时刻发生的振荡。Z1是一个稳压二极管，用以防止LB在轻负载不连续时，使C1上电压过高；增加的R1、R2和Z1的总损耗不超过1W，所以无损耗得以保证
参 考 文 献
1 赵效敏．开关电源的设计与应用．上海科学普及出版社，1995
2 Rectifier Technology Pacific Pty Ltd．Training Manualfor RT Rack Power System，1997
打印本文 关闭窗口