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无源无损缓冲电路及其应用

http://www.dykf.com 2008/12/10 电源开发网

Abstract：　　This paper concludes a general realization ways of passive lossless snubber circuits based on the comparison of four kinds of common soft-switching techniques, presents their applications in DC-DC converters, three-level inverters, three-level rectifiers and three-level PFC up to date, and analyzes simply their operation principals and their advantages and disadvantages .

Keyword：passive lossless snubber circuits, DC-DC converter, inverter, rectifier, three-level, PFC

1　概述

　　在硬开关电路中，有源开关器件连接在刚性的电压源或电流源上，开关损耗大、电磁干扰严重、可靠性低，且随着开关频率的提高，这种现象更为严重。为了克服这些缺陷，软开关技术被广泛采用。

　　有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器、无源无损缓冲电路是常用的软开关技术。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂度，降低了可靠性；RCD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率低下，在各种软开关技术中性能最差；而谐振变换器则虽然实现了ZVS或ZCS、减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大，才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗、提高了成本、降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三种方法的优点。它结构与RCD一样简单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高，因而获得了广泛的应用。

　　目前，无源无损缓冲技术虽已比较成熟，但在国外仍不时有新的拓扑和研究成果发表。本文参考了最近20多年中无源无损缓冲电路的研究成果，对应用于DC-DC变换器、三电平逆变器、三电平整流器和三电平PFC的最新无源无损缓冲电路拓扑进行了总结，分析了它们的工作原理，比较了它们的优缺点，希望对相关的研究者有所助益。

2　无源无损缓冲电路的结构原理

　　在硬开关电路的开关中，存在三种损耗：

　　（1）开通时，由续流二极管的反向恢复电流引起的浪涌电流，会导致较大的导通损耗；

　　（2）开通时，MOSFET的寄生结电容放电会引起损耗；
　
　　（3）关断时，MOSFET的结电容电压的快速增加，会导致较大的关断损耗。

　　针对硬开关电路的上述损耗构成，一个基本的无源无损缓冲电路一般都包含三个功能回路：

　　（1）开通缓冲回路，通常是在主开关管上串联一个限流电感器L；

　　（2）关断缓冲回路，通常是在主开关管上并联一个吸能电容器C；

　　（3）馈能回路，通常是用一个隔离二极管将能量回馈给电源或负载。

　　无源无损缓冲电路的三功能回路结构特点，虽然无法象有源软开关方案那样，在超前或滞后主开关的控制时序下吸收能量或供给能量，以创造出真正的ZVS或ZCS条件，但它通过将开关期间的电压与电流波形错开，使二者的重叠面积最小，可以显著降低前述第（1）和第（3）项开关损耗。虽然对第（2）项的开关器件内寄生结电容的放电损耗，无法被无源无损缓冲电路所消除，但此种损耗较其它开关损耗低得多，对于提高整体效率作用较小。考虑到无源无损缓冲电路没有引入辅助有源器件，和其它软开关方案相比，它没有增加额外的辅助有源器件损耗，因此，在同样的开关损耗功率降低情况下，无源无损缓冲电路可以获得更高的效率提高[1]。所以，无源无损缓冲电路被广泛地应用于DC-DC变换器、三电平逆变器、三电平整流器和三电平PFC等场合。

3　无源无损缓冲电路在DC-DC变换器中的应用

　　随着电力电子技术、计算机技术、通信技术的进步，高频DC-DC开关电源被大量使用，它们所消耗的电力总量十分可关。一般DC-DC开关电源效率并不高，如何提高其效率，对于节能具有重要意义。以下介绍的两款采用无源无损缓冲电路的DC-DC变换器，就具有较高的效率。

　　3.1 无源再生式的软开关BOOST变换器

图1
　　
　　图1为文献[2]提出的一种无源再生式的软开关Boost变换器，它是传统的L+RCD复合型缓冲电路的改进。其改进点包括：（1）去掉放电电阻R；（2）去掉专门的功率电感器L，巧妙地用一个同输入电感Lp耦合的小功率绕组La代替。

　　下面分析图1电路的工作过程。分析中假设：（1）输入电压恒定，主电感Lp>>缓冲电感Ls，输入电流恒定；（2）输出电容C0足够大，输出电压V0恒定；（3）只考虑续流二极管D的反向恢复电流和主开关Ms的开关过渡时间，其它元器件均为理想元件。并设初始状态为：Ms关断，D开

，则对感性负载CCM工作情况，稳态时每个周期可以分为以下5个模态：

　　模态1：输入电流Ii由D线性地切换到Ms的模态。从Ms开通（ZCS）起，到D自然关断止。

　　模态2：Cs储能向负载释放的模态。从D自然关断起，到Cs经La放电完毕止。

　　模态3：对应普通PWM Boost变换器的主开关开通的模态。

　　模态4：Cs充电的模态。从Ms关断（ZVS）起，到Cs经Ls、Ds1充电到

止。

　　模态5：输入电流Ii由Ls线性地切换到D的模态。从D自然导通起，到

止。

　　模态6：对应普通PWM Boost变换器的主开关关断的模态。

　　可见，该无源无损缓冲型软开关电路的关键在于：当Ms在ZCS下开通时，因Lp的耦合绕组La感应反电势而发生电势自举，Cs的储能经La向负载释放；放电完毕的Cs又为Ms的关断提供ZVS条件。

　　3.2 新颖的具有最小电压应力的无源无损缓冲电路

图2
　
　　图2为文献[3]提出的另一种新颖的具有最小电压应力的无源无损缓冲电路。从图中可看出，其缓冲网络包含三个二极管Da，Dc，Ds，一个耦合电感N2和一个缓冲电容Cs。以下对其工作过程进行分析。在分析中假设与2.1基本相同，并设初始状态为：主开关管S开通，D0关断，

，则稳态时，一个周期有以下6个模态：

　　可见，该新颖的具有最小电压应力的无源无损缓冲电路的所有元器件的电压应力不超过输出直流电压V0，而且能有效地提高变换器效率，明显地扩展输入电压的范围，从而在应用于PFC中，它将是一种低价、有效的拓扑。

4　无源无损缓冲电路在三电平逆变器中的应用

图3

　　可见，该拓扑结构实现了开关管S1,S3的软通断，也降低了电压应力。为了进一步减小电压应力，可以用两个低功率辅助直流电压源和一个共用电感Lr替换电感和 [4]。总之，该三电平无源无损缓冲电路不仅所有开关管的软开关，承受较小的电压应力，而且它的拓扑和控制都很简单。

5　无源无损缓冲电路在三电平整流器中的应用

图4

　　文献[5]提出的一种应用于高功率单向的三相三电平整流器的无源无损缓冲电路，它广泛地应用在通信电源中。图4给出了带无源无损缓冲电路的单向倍压整流器的拓扑，以下对其工作过程进行分析。在分析中，假设与2.1基本相同，并设初始状态为：主开关管S1关断，输出整流二极管DB1开通，

，则稳态时一个周期有以下8个模态:

　　上面介绍的工作模态是当交流输入电压为正时，开关管S1和输出整流二极管DB1的电流转换；当交流输入电压为负时，开关管S1和输出整流二极管DB2的电流转换的工作模态也类似。

　　可见，该三相三电平整流器实现了所有开关管的软通断，而且具有较高的效率，造价也低。

6　无源无损缓冲电路在三电平PFC中的应用

图5

　　图5为文献[6]提出的一种带无源无损缓冲单元的单相三电平PFC电路。从图中可看出，增加的缓冲单元是一种较简单的无源无损缓冲电路[7]，它包含缓冲电感

，缓冲电容

。由于拓扑的对称结构，仅讨论S1，D1的转换过程，以下对其工作过程进行分析。在分析中，假设与2.1基本相同，并设初始状态为：主开关管S1关断，S2和D1开通

，则稳态时，一个周期有以下7模态：

可见，该带无源无损缓冲单元的单相三电平PFC电路实现了所有开关管和二极管的软通断，并不附加额外的电压应力，而且还提高了三电平PFC的功能和系统的效率.

7　总结

　　本文在解决硬开关存在的三种换流缺陷的基本上，简要比较了四种软开关技术：有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器和无源无损缓冲电路的优缺点，并提出了无源无损缓冲电路的实现方法和最近在DC-DC变换器、三电平逆变器、三电平整流器和三电平PFC中的最新应用。文中给出了无源再生式的软开关变换器和具有最小电压应力的无源无损缓冲电路两种新颖的DC-DC变换器拓扑，一种高功率多电平逆变器的无源无损缓冲电路和一种高功率单向的三相三电平整流器的无源无损缓冲电路，以及一种带无源无损缓冲单元的单相三电平PFC电路，简要分析了它们的工作原理和优缺点，并总结了无源无损缓冲电路发挥的重要作用，从而得到无源无损缓冲电路已成为实现软开关的重要技术之一，并被引起广泛重视。

参考文献

[1]邓焰、何湘宁、钱照明，“无源无损吸收技术的原理与典型电路”，第十三届全国电源技术年会论文集。中国电源学会，1999年，深圳。pp .358~362.

[2]Lin Zhoubu, “A passive regenerative soft-switching converter with the simplest topology”,IEEE,2002, pp.949~954.

[3]Wei Dong, Qun Zhao, Jinjun Liu and Fred C.Lee, “A Boost converter with lossless snubber under minimum voltage stress”,IEEE,2002, pp.509~515.

[4]Hongyan Wu, Yan Deng, Rongxiang Zhao and Xingning He, “A novel passive lossless snubber for high power multilevel inverters”, IEEE,2002, pp.1011~1015.

[5]C.M.T. Cruz, I. Barbi, “A passive lossless snubber for the high power factor unidirectional three-phase three-level rectifier”, IEEE.1999. pp. 909~914.

[6]Hongyang Wu, Xiangning He, “A novel single phase three-level power factor correction with passive lossless snubber”, IEEE,2002. pp.968~974.

[7]K. M S., Jr., K. M. Smedley, “Engineering design of lossless passive soft switching methods for PWM converters----Part 1: With minimum voltage stress circuit cells”, IEEE. Trans. On Power Electronics. Vol. 16. No. 3. 2001. pp. 336~344.
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作者：李金鹏 … 来源：《电源世界》点击数：

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