一种新型零电流开关DC-DC变换器的研究

周骏   王聪    中国矿业大学北京校区

摘  要：本文提出一种新型零电流软开关（ZCS）DC-DC变换器。实现功率开关管的零电流软开关对于具有拖尾电流缺陷的IGBT具有明显的意义。借鉴传统的晶闸管关断电路方法，并结合其他软开关技术，可以实现全桥变换器所有开关管的零电流软开关，使IGBT器件在高电压、大功率场合使用中开关频率可以进一步提高，应用范围更加广泛。本文详细说明了这种变换器的拓扑结构和特点，并给出了计算机仿真结果和实验结果。

关键词：电力电子  软开关  零电流 IGBT

Study of A New ZCS DC-DC Converter

Abstract: A novel zero-current-switching DC-DC converter has been developed in this paper. ZCS has some specific advantages to the power electrical device IGBT which has defect of lagging current. Using SCR breaking circuits and other soft switching technologes,the zero-current-switching can be realized in full bridge DC-DC converter.It will be of benefit to the wide use of IGBT with high voltage and power. Topological configuration and character are provided in this paper in details,as well as simulation and experiment results.

Key word：Power electric   Soft-switching  ZCS  IGBT

1  概  述

实现功率器件的软开关是目前电力电子学领域的一个主要研究方向。绝缘栅双极晶体管（IGBT）本身固有的电流拖尾现象[1]限制了它在较高频率场合的应用，因此实现IGBT的零电流（ZCS）关断更具有明显的意义[2]。

目前已有的全桥软开关技术最多只能实现滞后臂的零电流开关，而超前臂只能实现零电压开关（即ZVZCS）[3]。如何让全桥电路的四个IGBT都实现零电流开关，至少实现零电流关断，使之在更高频率下工作是个难题。

其实，应用在较低频场合、作为半控型器件代表的晶闸管（SCR）具有比IGBT等全控形器件更加严重的缺点，那就是它根本无法实现自关断。传统的晶闸管逆变器必须考虑换相，换相时要使一个管子开通，而另一个关断。这些关断方法现在都已经比较成熟。晶闸管的关断条件是其正向导通电流降到零。这给我们一个启示，即可以借鉴关断晶闸管的方法来实现IGBT的零电流关断。

2  电路拓扑介绍

晶闸管的换相方法可分为3大类：1.电源换相，2.负载换相（或自然换相），3.辅助电路换相。电源换相是在输入交流电的过零时刻换相；负载换相则是利用中频的感性或容性负载的电流或电压谐振来得到器件电流的过零点，实现换相。这两种方法都不适用于高频电路，只有辅助电路换相的方法可以适用于IGBT的零电流关断。图1是使用晶闸管的串联电感式逆变器原理图，图中的耦合电感L1、L2在需要使晶闸管关断时会给晶闸管施加一个反向电压，迫使其电流下降到零[4]。图2就是借鉴这种方法实现的新型零电流软开关全桥DC-DC变换器拓扑图。

与传统的移相式零电压开关DC-DC变换器相比，此电路主要有4点不同：

（1）超前桥臂两IGBT之间串联了两个耦合电感L1、L2。正是这两个电感使这种变换器的前桥臂V1、V2实现了零电流关断，连接方法是同名端和异名端相连；

（2）开关管的控制方式与传统移相式全桥电路控制方式不同，普通全桥电路同一个桥臂的上下两个管子绝对不允许同时开通，否则会造成直流电源短路，因此还都必须设置死区时间，而本文提出的电路为了利用耦合电感，超前桥臂V1、V2的触发信号反而要有一个很小的重叠区间。普通移相控制的触发信号波形和本文介绍的超前臂重叠的触发信号波形图见图3。

（3）变压器原边支路串接了一个电容值相对较大的隔直电容Cb。Cb起到变压器漏感磁通复位的作用，使这种变换器滞后桥臂V3、V4实现零电流关断。

（4）增加了一个反馈变压器T2，变压器T2的作用与图1中的R1相同，都是为了消耗耦合电感换流时的能量，使电感磁通复位，使用前者的优点是能够把这部分能量反馈回直流电源，提高效率。

3  工作原理分析

此电路工作原理可以分为如下5段工作阶段进行描述。

（1）V1、V4稳定导通阶段(t0-t1)。V1、V4导通，V2、V3关断，电流流过V1、Cb、变压器T原边、V4，此阶段为变换器主要工作时间，在这段时间内能量从变压器原边流向副边。隔直电容Cb比较大，可以认为是短路。L1中流过的电流在这个阶段之间几乎不变，可以看作直流电流，电容C1被短路，C2充电至电源电压，IL为变压器原边电流。

（2）V1、V2换流阶段(t1-t2)。触发V2导通后，电容C2通过L2放电。由于磁通不能突变，在耦合电感的作用下，流过L1的电流迅速下降到零，同时流过L2的电流迅速上升到IL。电容C2的谐振放电回路除了L2支路外，也通过耦合电感的作用，经过L1、C1回路释放能量，若把耦合电感看作1：1的变压器，则是C2、L2组成变压器原边放电回路，L1、C1组成变压器副边放电回路。V1的反并联二极管中流过反向的电流。在反并联二极管导通时间内给V1关断信号，V1就实现了零电流关断。另一方面，由于漏感的作用，变压器原边的电流通过C1和C2继续维持，其能量来自直流电源和C2的储能。C2电压逐渐降低，C1电压逐渐升高。

（3）环流阶段(t2-t3)。L1中电流谐振到零后，由于V1已经关断，电流不能再反向流动。L2中储存的能量在C1、C2和L1、L2之间谐振时，一部分通过反馈变压器T2不断地把能量反馈回直流电源，另一部分储存在隔直电容Cb里。在T2的阻尼作用和隔直电容Cb的作用下，环流过程很快结束。隔直电容Cb充有左正右负的电压。由于V4串联有二极管，电流不能反向流动，避免了电容Cb与电感之间继续谐振，为V4零电流关断创造了条件。

（4）滞后臂关断阶段(t3-t4)。由于隔直电容Cb施加了反向电压，变压器原边电流逐渐减小到零。V4的关断信号来到时，V4的电流已经到零，实现了滞后臂零电流关断。

（5）另一桥臂导通(t4-t5)。V4关断后，经过短暂的死区时间，V3开通。由于变压器T的漏感作用，V3的电流不能突变，因此V3是零电流开通的。同样，由于变压器的漏感和L2的共同作用，V2也实现了零电流开通。V3开通后，电流流经V3、变压器原边、Cb、L2、V2，并逐渐上升到IL，进入到另一对桥臂的稳定工作区间。

换流过程中超前桥臂V1、V2和滞后桥臂V4的触发信号Q1、Q2、Q4和电流信号I1、I2、I4波形示意图见图4。图中t2时刻，由于IGBT的D-S极间电容的存在，I1的正向电流有个微小的振荡尖峰，同时也在I2中感应出同样的小尖峰。

在V1、V4导通的半个工作周期内，储能电容C2上的电压为电源电压Ud，储存的能量为 。在V1、V2换流过程中，这部分能量在电感L1、L2和C1、C2之间振荡。这部分能量越大，电感值越小，则V1的反向二极管流过电流的时间越长，V1越容易实现零电流关断。

但是，上述情况会造成如下不利影响：换流电路储能太多，这部分能量虽然可以通过反馈变压器向直流电源端回送，但难免在V2、D2等开关管中造成损耗。另外，电容C2越大，电感L2越小，流过V2的振荡电流峰值会很高，容易引起IGBT的损坏。

所以，电容C1、C2和电感L1、L2的选择应兼顾两个方面：1.保证超前桥臂IGBT在最大负载电流下能实现零电流关断。2.换流前的储能尽可能少，以免造成太大的损耗。

反馈变压器的作用是吸收振荡过程中的能量并回送电源。其变比影响到换流元件振荡的状态。如果变比太大，则会造成过阻尼振荡，电感磁通在一个工作周期内无法复位，电路不能正常工作。如果变比太小，则会造成欠阻尼振荡，振荡时间太长，能量不能迅速回馈，会造成额外的损耗。所以应设计反馈变压器变比，使换流元件的振荡过程为接近临界阻尼振荡的欠阻尼振荡。也就是振荡过程维持有限的几个周期就很快趋于稳态。

5  仿真波形

为了验证理论的可行性，笔者用PSIM仿真软件进行了仿真。PSIM是由加拿大Powersim Technologies Inc. 开发的、专门针对电力电子和电气传动装置设计仿真的软件。仿真电路如图2所示。仿真结果见图5。图中左边是超前桥臂IGBT换流阶段的电流波形和触发波形，右边是滞后桥臂的电流波形和触发波形。从图中可以看出超前桥臂的IGBT是零电流关断，而滞后桥臂的IGBT的开通和关断时刻都是零电流状态。

图5

6  试验结果

作者采用本文所述的原理，制作了一台1kW、50kHz的样机。用示波器观察IGBT的电流和触发信号的时序关系，可以验证本文的理论。图6是V1-V2换流阶段V1的电流波形（上半部，Y-2.5A/div，X-100ns/div）和触发波形（下半部，Y-5V/div），图7是滞后臂V4开通时的电流波形（上半部，Y-2.5A/div，X-100ns/div）和触发波形（下半部，Y-5V/div），图8是V4关断时的电流波形（上半部，Y-2.5A/div，X-100ns/div）和触发波形（下半部，Y-5V/div）。从图6、图7、图8可以看出超前桥臂的零电流关断和滞后桥臂的零电流开通、零电流关断。

实验结果，变换器的总体效率达到92.3%。

与现有的各种软开关电路相比较，本课题提出的零电流软开关全桥变换器真正实现了所有开关器件的零电流关断，对存在拖尾电流特性的IGBT器件更有针对性，趋利避害，扬长避短，使得应用IGBT作为开关器件的高电压、中大功率变换器可以进一步提高频率，从而在高效率、低噪声的前提下缩小了变换器体积、增加了功率密度、提高了运行可靠性。

此电路的缺点是超前桥臂换流阶段的开通过程不是零电流开通，因而存在开通损耗。但对于IGBT器件来说，硬开通损耗要比硬关断小得多，本文介绍的变换器仍能从总体上提高工作效率。

参考文献：

[1] 杨晶琦  电力电子器件原理与设计  国防工业出版社 1999，9

[2] 王聪  软开关功率变换器及其应用  科学出版社 2000，1

[3] 王聪 赵振民 张志丰 郑文兵 钱诗宝  新型软开关电力高频开关整流电源 中国电源学会 2000 ，9

[4] 徐以荣 冷增祥  电力电子学基础  东南大学出版社 1996，12