Buck-ZCS-Boost-ZVS软开关电路实验

实验报告课程名称：_______电力电子技术2________指导老师：__石健将\徐德鸿____成绩：__________________实验名称：_BuckZCSBoostZVS软开关电路实验__实验类型：_____同组学生姓名：___一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的a)BuckZCS1．加深对零电流准谐振软开关电路工作原理的理解；2．了解零电流准谐振软开关电路的调试方法；3．了解零电流准谐振软开关电路的优缺点。b)BoostZVS4．加深对准谐振零电压软开关电路工作原理的理解；5．了解准谐振零电压软开关电路的调试方法；6．了解准谐振零电压软开关电路的优缺点。二、实验原理及内容a)BuckZCS电路:为了改善开关管的工况，在20世纪80年代出现了准谐振软开关变换器技术。对于零电流准谐振软开关电路的基本思想是：在开关管串接一电感Lr，和电容Cr谐振，在开关管开通之前，谐振电感Lr中的电流为零，当开关管开通时，谐振电感Lr限制开关管中的电流从零上升，从而实现了开关管的零电流开通；当开关管关断时，Lr和Cr谐振，从而使Lr中的电流回到零，从而实现了开关管的零电流关断。本实验现以BuckZCS变换器为例，分析其电路工作原理，如图3-66所示：图1:BuckZCS电路图专业：___电子信息工程_姓名：____________学号：______日期：_6.22_13：00__地点：__教二125__图2:BuckZCS变换器工作原理及波形图在一个开关周期T中，该变换器有四种开关状态。在分析之前，作出如下假设：1）所有开关管、二极管均为理想器件；2）所有电感、电容和变压器均为理想元件；3）Lf》Lr；4）Lf足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，为IO。这样Lf和Cf以及负载电阻可以看成一个电流为IO的恒流源。这里给出以下物理量的定义：特征阻抗rr/rZLC=；谐振角频率1/rrLC=；谐振频率122rrrfLC==谐振周期12rrrrTLCf==1．电感充电阶段[t0,t1]在t0时刻之前，开关管Ql处于关断状态，输出滤波电感电流I0通过续流二极管D1流过。谐振电感电流iLr为O，谐振电容电压VCr也为O。在t0时刻，Q1开通，加在Lr上的电压为Vin，其电流从O线性上升，因此,Q1是零电流开通。0()()LtrinVitttL=−而D1中的电流为：0()()D1inOrVitIttL=−−在t1时刻，iLr上升到I0，此时iD1=O，D1自然关断。持续时间为：t01=LrI0/Vin2．谐振阶段[t1,t1a,t1b,t2]从t1时刻开始，Lr和Cr开始谐振工作，Lr的电流和Cr的电压的表达式为：1()sin()Lr0inrVitIttZ=+−crin1()1cos()VtVtt=−−经过1/2Tr，到达t1a时刻，iLr减小到I0，此时Vcr达到最大值Vcrmax=2Vin。在t1b时刻，iLr减小到O，此时开关管Q1的反并二极管DQl导通，iLr继续反方向流动。在t2时刻，iLr再次减小到O。在[t1b，t2]时段，DQl导通，Q1中的电流为零，这时关断Q1，则Q1是零电流关断。在t2时刻，谐振电容电压为：22()11()ZIVtVV0rcrinin=−−从上面的分析可知，在此开关模态结束时，iLr为O，谐振电容上的电压可用下式来表达：22()11()0inrcrinZIVtVV=−−此开关模态的持续时间为：11212sin()inroZIVt−=−3．电容放电阶段[t2,t3]在此开关模态中，由于iLr=O，输出滤波电感电流I0全部流过谐振电容，谐振电容放电，谐振电容电压为：22()()()crcrroIVtVtttC=−−在t3时刻，VCr减小到O，续流二极管D1导通，此开关模态的持续时间为：232()rcroCVtIt=4．自然续流阶段[t3,t4]在此开关模态中，输出滤波电感电流Io经过续流二极管D1续流。在t4时刻，零电流开通Q1，开始下一个开关周期。实验线路图如下：图3:BuckZCS软开关实验线路图b)BoostZVS电路:准谐振零电压软开关电路的基本思想是：谐振电容Cr基本上是与开关管Q1并联的，在开关管导通时，谐振电容Cr上的电压为零；当开关管关断时，Cr限制开关管上电压的上升率，从而实现开关管的零电压关断；当开关管导通时；Lr和Cr谐振工作使Cr上的电压回到零，从而实现开关管的零电压开通。其工作原理如图3-68所示：图4:BoostZVS电路图图5:BoostZVS软开关电路变换器工作原理及波形图在一个开关周期Tr中，该变换器有四种开关状态。在分析之前，作出如下假设：1）所有开关管、二极管均为理想器件；2）所有电感、电容和变压器均为理想元件；3）LfLr；4）Lf足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，为Ii，这样Lf和输入电压Vin可以看成一个电流为Ii的恒流源；5）Cf足够大，在一个开关周期中，其电压基本保持不变，为Vo，这样Cf和负载电阻可以看成一个电压为Vo的恒压源。这里给出以下物理量的定义：特征阻抗rr/rZLC=谐振角频率1/rrLC=谐振频率122rrrfLC==谐振周期12rrrrTLCf==1．电容充电阶段[t0,t1]在t0时刻之前，开关管Q1导通，输入电流Ii经过Q1续流，谐振电容Cr，上的电压为0。D1处于关断状态，谐振电感Lr的电流为零。在t0时刻，关断Q1，输入电流Ii从Q1中转移到Cr中，给Cr充电，电压从O开始线性上升，由于Cr的电压是慢慢开始上升的，那么Ql就是零电压关断。在此开关模态中，Cr的电压为：0()()IVtttCicrr=−在t1时刻,Vcr上升到输出电压Uo，开关模态1结束，它的持续时间为：01iroCUIt=2．谐振阶段[t1,t2]从t1时刻起，D1开始导通，Lr与Cr谐振工作，谐振电感电流iLr从O开始增加，iLr和Vcr的表达式为：Lri1()1cos()tItti=−−criro1()sin()VtVIZtt=+−经过Tr/2，到达t1a时刻，iLr等于Ii，此时Vcr到达最大值Vcrmax。Vcrmax=Vo+IiZr从t1a时刻开始，iLr大于Ii，此时Cr开始放电，其电压开始下降。在t1b时刻，VCr减小到O，并且开始变为负电压；在t2时刻，VCr从负电压上升到O，此时开通Ql，则Q1为零电压开通。此时谐振电感电流为：22()11()oVItIIZLriir=−−3．电感放电阶段[t2,t3]在此开关模态中，Q1开通，输入电流Ii流经Q1，此时加在谐振电感两端的电压为-Vo，那么iLr线性减小。22()()()VitItttLLrLror=−−在t3时刻，iLr减小到O，由于D1的阻断作用，iLr不能反方向流动，此开关模态结束，它的持续时间为：223()LrroLIttU=4.自然续流阶段34,tt在此开关模态中，谐振电感Lr和谐振电容Cr停止工作，输入电流Ii经过Ql续流，负载由输出滤波电容提供能量。在t4时刻，Q1零电压关断，开始下一个开关周期。实验线路如图3-69所示：图6:BoostZVS实验线路图实验内容：1．用示波器观察BuckZCS电路的各个测量点波形，分析其工作原理；2．了解BuckZCS电路的优缺点。3．示波器观察BoostZVS电路的各个测量点波形，分析其工作原理；4．了解BoostZVS电路的优缺点。三、实验设备与编号1．电力电子技术探究性实验平台；2．DDS35“准谐振软开关电路”实验挂箱；3．NMCL-50数字直流表；4.数字式万用表；5．示波器等。四、实验方法及实验数据分析a)BuckZCS电路操作步骤:先将电路选择开关拨向“BuckZCS电路”档。开启DDSX01“电源控制屏”总电源开关；开启DDS-35“准谐振软开关电路”实验挂箱右下角电源开关。用电压表测量输入直流电压（1、2端），然后，再测量输出直流电压（4，5端），调节BuckZCS调压旋钮，测定输出电压的工作范围用示波器同时测量开关管驱动波形（6、2端）和谐振电容上的电压波形（3、2端）。调节BuckZCS调压旋钮，使输出直流电压分别在低、中、高三点，观察波形的变化，记录波形。用示波器同时测量开关管驱动波形（6、2端）和谐振电感上的电流波形（7、2端）。调节BuckZCS调压旋钮，使输出直流电压分别在低、中、高三点，观察波形的变化，记录波形。测出输出直流电压分别在低、中、高三点时，对应的驱动波形的占空比。b)BoostZVS电路操作步骤:先将电路选择开关拨向“BoostZVS电路”档。开启DDSX01“电源控制屏”总电源开关；开启DDS-35“准谐振软开关电路”实验挂箱右下角电源开关。用电压表测量输入直流电压（1、2端），然后，再测量输出直流电压（5，6端），调节BoostZVS调压旋钮，测定输出电压的工作范围。用示波器同时测量开关管驱动波形（7、2端）和谐振电容上的电压波形（3、2端）。调节BoostZCS调压旋钮，使输出直流电压分别在低、中、高三点，同时观察波形的变化，记录波形。用示波器同时测量开关管驱动波形（7、2端）和谐振电感上的电流波形（8、2端）。调节BoostZVS调压旋钮，使输出直流电压分别在低、中、高三点，同时观察波形的变化，记录波形。测出输出直流电压分别在低、中、高三点时，对应的驱动波形的占空比。五、实验结果分析a)BuckZCS电路:(82.2,30.7)(77.9,48.8)。输入电压范围77.9V到82.2V;和输出电压范围48.8V到30.7V:1．按时序分别画出输出直流电压在低、中、高三点时的电路工作波形图。a)驱动信号波形(CH1)与谐振电容上的电压波形(CH2)图7:输出低时驱动波形(CH1)与谐振电容上波形图8:输出中时驱动波形(CH1)与谐振电容上波形图9:输出高时驱动波形(CH1)与谐振电容上波形b)开关管驱动波形（6、2端）和谐振电感上的电流波形（7、2端）。图10:输出低时驱动波形(CH1)与谐振电感上波形图11:输出中时驱动波形(CH1)与谐振电感上波形图12:输出高时驱动波形(CH1)与谐振电感上波形图13:输出低时驱动波形(CH1)与谐振电容电感上波形图14:输出中时驱动波形(CH1)与谐振电容电感上波形图15:输出高时驱动波形(CH1)与谐振电容电感上波形2．电压与驱动波形占空比的关系。根据半桥BUCKZCS软开关电路的理论：，Io是输出电流，Vs是电源电压图16:BuckZCS软开关电路输出电压与频率的关系输出电压与驱动信号的占空比没有直接的关系，但是，在正占空比几乎不变的情况下，与开关频率呈正相关关系，频率越高，输出电压越大，同时频率越高，周期越短，等效与占空比增大。3．简述BuckZCS软开关电路的优缺点。优点：（1）开关损耗被大幅度减小；（2）寄生参数可以被利用起来；（3）通过改变开关频率控制输出，由于开关损耗下降，所以可以适应更高频率工作。（4）工作频率的上升使得电路中的被动元件，电感电容等原件可以选取更小的值和尺寸。减小电路体积缺点：（1）由于谐振的原因，导通时的电流很大，通态损耗增加。（2）由谐振的原因，电路的中的电压电流都变大，对器件要求变高。4．和Buck硬开关电路作一比较。Buck硬开关电路比较：（1）硬开关电路的开关损耗更大，软开关电路开关损耗小。（2）硬开关电路的寄生参数没有利用，而软开关中电路寄生参数可以被利用。（3）硬开关电路电路通态电路电压电流较小，所以通态损耗小，软开关电路因为谐振的关系，导通电流电压大，通态损耗变大。（4）硬开关电路是占空比控制，并且适应于低频率。所以被动元件尺寸大，软开关适应于更高频率，电路中的被动元件尺寸可以选更小。b)BoostZVS电路:输入电压范围79.0V