[发明专利]恒频零电压边沿谐振开关变换器

说明书

本发明属电力电子系统技术领域，特别涉及开关功率变换器。

众所周知，开关功率变换器中的关键元件是功率开关，近年来，人们对功率开关进行了广泛的研究，以做出适合不同要求的开关功率变换器。其经典的开关功率变换器(包括升压式、降压式、升降压式、单端反激式、单端正激式和CuK式等)采用脉宽调制(PWM)控制方式，其特点是控制简单且滤波元件易于设计，但它的功率开关由于强迫通断而产生交叉损耗，且该损耗功率与开关频率成正比，故不能满足高频小型化的要求；以后出现的零电流开关(ZCS)准谐振变换器(美国专利4720667)利用电流谐振实现零电流关断，从理论上消除了交叉损耗，但却不能消除由开关寄生电容通过开关放电所引起的损耗，从而限制了开关频率进一步提高，且其必须采用变频控制，这又增加了滤波元件的设计难度；其后又出现的零电压开关(ZVS)准谐振变换器(美国专利4720668)，它的零电压谐振开关包括与开关Q₁并联的反向二极管D₁及谐振电容Cr及与其串联的谐振电感Lr组成，如图1所示，这种变换器改进成为利用电压谐振实现零电压导通，从理论上消除了交叉损耗，由于它将开关寄生电容纳入了谐振电容，从而能够实现高频开关功率变换，但其电压谐振峰值却比经典的PWM开关高得多(约一倍)，故势必选用通态电阻

针对上述变换器的不足，本发明的目的在于提出一种新的谐振功率开关，使组成一类新的开关功率变换器，既能实现恒频控制，又能减小谐振电压峰值，提高开关频率，且电路简单，易于实现，以更好地满足高频小型化的要求。

本发明所述的恒频零电压边沿谐振开关(CF-ZVERS)变换器的核心部件恒频零电压边沿谐振开关(CF-ZVERS)的基本设计思想是在零电压准谐振开关的基础上，加上含辅助开关的限幅电路，使开关波形在上升和下降沿发生谐振，而整个电路仍工作在PWM的方波模式。其具体的实现方案是采用主、辅两支开关复合组成一个三端网络，即成为恒频零电压边沿谐振开关(CF-ZVERS)，其结构如图2所示，它的主开关Sm(带反向二极管D₁)与谐振电容Cr并联后一端为(2)端，另一端与辅开关Sc(带反向二极管D₂)的一端相连后再与谐振电感Lr相连后为(1)端，辅开关Sc的另一端与限幅电容Cc相连后为(3)端并接恒定电压组成。该功率开关电路中主、辅两开关Sm、Sc一般为VDMOS器件；D₁、D₂为VDMOS器件的寄生二极管或外接二极管与VDMOS器件的寄生二极管并联；Cr为VDMOS器件的寄生电容或外接电容与VDMOS器件的寄生电容并联；Lr为开关感性负载漏感或外接电感与开关感性负载漏感串联；Cc为限幅电容，要求足够大以使其电压基本保持恒定。

利用本发明所述的恒频零电压边沿谐振开关CF-ZVERS，按经典的各类(包括升压式、降压式、升降压式、单端反激式、单端正激式和CuK等)开关功率变换器的设计方法，用该CF-ZVERS代替其中的功率开关，即可组成相对应的一簇新的恒频零电压边沿谐振开关(CF-ZVERS)变换器，例如，将CF-ZVERS三端网络的(3)端和(2)端分别并接在直流电源Vg的正、负端，其正端与传能电感Lm相连后与三端网络的(1)端相连后，再与整流二极管Df相连后再与输出滤波电容Co的正极相接，Co的负极与三端网络的(2)端相连，负载R并联在Co上，即组成了升压式恒频零电压边沿谐振开关变换器，如图4所示。