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零电流软开关技术

    零电流软开关技术 (ZCS)准谐振(QR)开关电源强迫流过功率开关的电流成为正弦波。功率开关当流过她的电流过零时动作。为理解ZCS QR开关电源的工作原理,以最基本的电路拓扑进行分析—如图所示的Z零电流软开关技术 CS QR Buck变换器及其波形。

    可以看到,输出端有一个熟悉的低通滤波器(LC) , Buck和所有正激式变换器都有这个特点。如图所示的结构称为并联谐振,因为负载阻抗(作为阻尼的LC滤波器)是与谐振电容并联的。在谐振频率,LC滤波器的输入表现为高阻抗。否则就会降低谐振回路的Q值,并影响其谐振条件。零电流软开关技术 ZCS QR Buck变换器的运行可分为四个阶段:

    阶段1  是它的静止或初始状态,此时谐振回路元件还“未充电”,功率开关断开,续流二极管通过电感流过负载电流,就如零电流软开关技术 Buck变换器一样。

    阶段2  始于功率开关导通,这时开关上的电压发生跳变,由于续流二极管仍处于导通状态,谐振电容被短路,这样功率开关仅与谐振电感串联。由于流过谐振电感的电流不能突变,开关电流从零开始以+Vin/Lr的斜率线性上升,直到流过开关和谐振电感的电流超过续流二极管导通的负载电流,然后,续流二极管以零电流关断,此时由功率开关供给负载电流。

    阶段3  谐振电容不再被箝位,此时谐振电感的电流以正弦波形态达到峰值,并开始下降直到为零。然后,谐振电感电流反向流过功率开关上的反并联二极管,功率开关可在反向期间的任何时刻关断而没有开关损耗,因为此时电流都流过反并联二极管。多余的电感能量返回到输入滤波电容。在阶段3}谐振电容的电压也呈现正弦波,但滞后电流波形90度,因此当电感电流过零时,谐振电容电压达到峰值,并开始下降。

    阶段4  通过Buck滤波电感Lo和负载的作用,谐振电容上的电压线性下降,使谐振电容剩余的能量释放到LC滤波器。当电压下降到零时,谐振回路又回到初始状态,并等待功率开关的下一个导通周期。

    可以看到,功率开关是零电流开通和关断的。续流二极管也是以软开关方式工作的,因为在开通时,续流二极管电流逐步转移到功率开关,而关断时,电压线性下降(零电压关断)。结果使功率半导体器件包括续流二极管都没有开关损耗。

    功率开关的“开通”周期必须设成谐振回路的谐振周期。通过改变功率开关的关断时间,功率被传送到负载。所以ZCS准谐振变换器需要有固定的导通时间、可变的关断时间的控制方式。这便是我们所熟悉的零电流软开关技术 定宽调频控制(FM: Frequency Modulation)。 

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