具辅助共振电路之零电压转移返驰式

1具輔助共振電路之零電壓轉移返馳式轉換器分析與設計摘要本文提出一零電壓轉移脈波寬度調變(ZVT-PWM)返馳式轉換器。電路架構於傳統的脈波寬度調變返馳式電源轉換電路中，增加柔切輔助電路，利用此柔切輔助電路中的電感與電容產生諧振，使得主開關能達到零電壓切換(Zero-VoltageSwitching；ZVS)外，輔助開關亦具備零電流切換(Zero-CurrentSwitching；ZCS)；因此不需額外的增加主動或被動的箝制電路去抑制開關的電壓應力，可將切換損失降至最低，以提升轉換器的整體效率。文中詳細說明電路之操作原理並推導各個工作模式下的等效電路及轉換器設計方法。為了驗證本文所提出之電路架構的可行性，將實作一組輸入電壓為100V，輸出電壓為15V，輸出功率為150W，操作頻率為50kHz之零電壓轉移脈波寬度調變返馳式轉換器的雛型電路。從實驗波形與數據結果中得知，在滿載的情況下可達到86.5%。關鍵字：柔性切換、返馳式轉換器、零電壓轉移。2一、緒論傳統返馳式轉換器因電路架構簡單，因此廣泛地應用在中低功率的電源轉換系統，且具有電器隔離與可藉由匝數比調整輸出昇降壓等優點。但因有變壓器漏感的存在，當開關導通初級磁化電感儲能時，漏感也會隨之儲能，開關截止磁化電感開始對次級釋能時，漏感的能量若無釋放的路徑，將會對功率開關汲-源極間的雜散電容釋放能量，使得汲-源極間的電壓急遽上升而出現一個相當高的突波電壓，造成功率開關的損壞。近年來，為了改善上述的問題，一些柔性切換及主動箝位技術[1-7]已相繼提出。其中柔性切換模式可分為零電壓轉換(ZeroVoltageSwitching；ZVS)與零電流轉換(ZeroCurrentSwitching；ZCS)。總體而言，在含有功率開關元件的轉換器拓樸中，零電壓轉換要優於零電流轉換[2]。在這些轉換器中，係利用輔助開關及適當的共振元件及箝位電路，使主開關在切換瞬時的電壓或電流為零，以降低功率損失，提高切換效率。然而探討相關文獻發現，零電壓轉換返馳式轉換器[8-11]加入較複雜的輔助電路，使其控制電路簡單並降低開關切換損失，但其輔助開關無法達到柔性切換及輕載時不能實現柔性切換。此外，主動箝位電路[12,13]有效的利用漏電感，有效地提升了轉換器的效率，但因輔助開關為浮接式所以在設計與實作方面會有所困難。本文提出一零電壓轉移脈波寬度調變返馳式轉換器架構，藉由所加入的柔切輔助電路，不僅能使主開關運作在零電壓狀態下切換，其輔助開關亦能在零電流狀態下切換。此外，所加入之輔助開關並非浮接而是和主開關共地，所以輔助開關的控制信號無需隔離，因而降低了控制電路的複雜度。3二、轉換器架構及動作原理分析本論文所採用之零電壓轉移脈波寬度調變(ZVT-PWM)返馳式轉換器，其電路架構如圖1所示。其組成是由傳統隔離返馳式轉換器，包含：主開關mainS及其內部寄生二極體、變壓器之磁化電感mL及漏電感sL，其匝數比21:nnN、輸出二極體oD、輸出電容器oC、和負載LR。並額外加入的輔助電路如虛線框所示，其包括：輔助開關auxS、輔助變壓器auxT，其匝數比nNa:1、共振電感rL、共振電容rC和輔助二極體1D及2D。VinDoCoLrCrSmainSauxLSn1:n2D1D2LmVovcrRL輔助電路LsiLriLmiTaux1:nTmainsecipriiSmainiSauxi圖1零電壓轉移脈波寬度調變返馳式轉換器在分析此轉換器電路動作之前，先作以下假設：所有開關元件皆為理想，導通時，視為短路；關閉時，視為開路。輸出電容oC夠大，足以將輸出電壓oV假設為定值。4共振電感rL遠小於磁化電感mL。在一切換週期前，共振電容rC的初始電壓為0rCV，共振電感rL和漏電感sL的初始電流為零。電路操作在CCM模式，根據功率開關元件的導通狀態，可將電路動作在一個高頻的工作週期內分為八個模式來探討，其各工作模式下的電壓電流理論波形如圖2所示，而每個操作模式之等效電路如圖4所示。CCM模式1[10~tt]：當時間0tt時，輔助開關auxS以零電流狀態領先主開關mainS導通，此時共振電感rL和共振電容rC透過auxT、auxS產生共振，共振電感電流Lri由初始值零開始增加，共振電容電壓rCv由初始值)(0tVrC往下降，直到共振電容電壓rCv下降到oinNVV時，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(a)所示，由等效電路可求得共振電感電流)(tiLr與共振電容電壓)(tvrC如下：)(cos)()(sin)()(0100110tttIttZVNtVtirCCMLrrCCMoCCMinarCLr)(sin)()(cos])([)(0101010tttIZttVNtVVNtvrCCMLroCCMrCCMinarCinarCCCM模式2[21~tt]：當時間1tt時，共振電容電壓rCv下降到oinNVV使二極體1D順向偏壓導通，同時，漏電感電流Lsi由初始值零開始增加，而一次側電流prii與二次側電流seci仍然持續下降，因磁通量()不允許瞬間改變，其磁通量sec21ininpri，當漏電5感電流0)(1tiLs上升至與磁化電感電流Lmi相同，而一次側電流prii與二次側電流seci同時下降到零，此時主繞組上之電壓極性將會反轉，輸出二極體oD截止，共振電感電流Lri持續以共振的方式作變化，共振電容電壓rCv則持續下降，直至共振電容電壓rCv下降到)(2tVrC時，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(b)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs、共振電感電流)(tiLr與共振電容電壓)(tvrC如下：)(sin)()()()(cos)()(V)()(1211211in1ttCLLLLLLVNNVVCLLLLtVNVVttLLtILttLLNNVVLLtILtirCCMrrsrsrsinaoinrrsrsrCoinrCCMsrLrrrsaoinsrLrrLs)(sin)()()()(cos)()()(V)()(12112111in1ttCLLLLLLVNNVVCLLLLVNtVttLLtILtIttLLNNVVLLtILtirCCMrrsrsrsinaoinrsrrsinarCrCCMsrLrrLrrsaoinsrLrrLrCCM模式3[32~tt]：當時間2tt時，共振電感rL、共振電容rC和漏電感sL透過inV、1D、auxT、auxS形成共振迴路，漏電感電流Lsi持續增加，共振電感電流Lri持續以共振的方式作變化，共振電容電壓rCv由)(2tVrC持續下降，直到共振電容電壓rCv下降到零，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(c)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs、共振電感電流)(tiLr與共振電容電壓)(tvrC如下：6)t-(tsin)()()()(cos)()()()(V)()()(232232222in22rCCMrrsmrsmrsminainrrsmrsmrCinrCCMsmrLmsmLrrLmrsmainsmrLmsmLrrLsCLLLLLLVNVCLLLLtVVttLLtILtILtIttLLNVLLtILtILti)t-(tsin)()()()(cos)()()()(V)()()(232232222in22rCCMrrsmrsmrsminainrsmrrsminarCrCCMsmrLmsmLrrLrrsmainsmrLmsmLrrLrCLLLLLLVNVCLLLLVNtVttLLtILtILtIttLLNVLLtILtILti)(sin)()()()(cos)()(2322232ttCLLLLtItIttLLVLVNLtVLLVLVNLtvrCCMrrsmrsmLrLmrCCMrsminrinasmrCrsminrinasmrCCCM模式4[43~tt]：當時間3tt時，共振電感電流Lri的初始值大於漏電感電流Lsi的初值，所以主開關mainS上的逆向電流流經其內部本體二極體(BodyDiode)，主開關電流LrLsSmainiii，將主開關mainS兩端的電壓箝位在零，此時可將主開關mainS由截止切換至導通，達到零電壓切換，使電路具有柔性切換之功能。由於漏電感sL的端電壓為正，故漏電感電流Lsi持續上升，而共振電感電流Lri繼續下降，直到共振電感電流Lri下降至零，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(d)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs與共振電感電流)(Ltir：7)()()(33ttLLVtItimsinLmLs)()()(33ttLVNtItirinaLrLrCCM模式5[54~tt]：當時間4tt時，共振電感電流Lri下降至零，此時二極體1D、2D自然截止將輔助開關auxS上的電流箝制在零，輸入電壓inV將對磁化電感mL與漏電感sL作線性充電，此階段就像開關為導通的傳統脈波寬度調變返馳式轉換器。此階段電路之等效電路如圖4(e)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs與磁化電感電流)(tiLm如下：)()()()(44ttLVtItitisminLmLmLsCCM模式6[65~tt]：當時間5tt時，主開關mainS與輔助開關auxS同時由導通切換至截止，此時輔助開關auxS在零電流的狀態下被截止。而磁化電感電流Lmi將開始對共振電容rC以LC串聯共振方式由零充電至oinNVV，其共振電路由rC、sL、mL所構成，變壓器二次側之輸出二極體oD仍然截止，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(f)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs與共振電容電壓)(tvrC如下：)(cos)()(sin)()(5655665tttIttZtVVtirCCMLsrCCMoCCMrCinLsinrCCMrCinrCCMLsoCCMrCVtttVVtttIZtv)(cos)()(sin)()(5655656CCM模式7[76~tt]：8當時間6tt時，共振電容電壓rCv上升至oinNVV時，變壓器次級側輸出二極體oD順向偏壓導通，磁化電感電流Lmi傳送能量給負載並對輸出電容oC充電；此時漏電感sL與共振電容rC將產生串聯共振，共振電容電壓rCv以共振方式遞增，漏電感電流Lsi以共振的方式遞減，直到漏電感電流Lsi下降至零，本狀態結束。此階段電路之等效電路如圖4(g)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs與共振電容電壓)(tvrC：)(cos)()(sin)()(6766776tttIttZtVNVVtirCCMLsrCCMoCCMrCoinLs)(cos)()(sin)()(6766767tttVNVVtttIZNVVtvrCCMrCoinrCCMLsoCCMoinrCCCM模式8[87~tt]：當時間7tt時，漏電感電流Lsi下降至零時，二極體1D由導通轉變為截止，磁化電感電流Lmi持續將能量傳給負載並對輸出電容oC充電；此階段就像開關為截止的傳統脈波寬度調變返馳式轉換器。此階段電路之等效電路如圖4(h)所示，由等效電路可求得漏電感電流)(tiLs與共振電容電壓)(tvrC：)()(t)(77ttLNVItimoLmLm電路操作在DCM模式，根據功率開關元件的導通狀態，可將電路動作在一個高頻的工作週期內分為六個模式來探討，其各工作模式下的電壓電流理論波形如圖3所示，而每個操作模式之等效電