基于B-SIT的半橋諧振DC-DC變換器電路

[摘要]本文介紹了串聯(lián)諧振逆變器電路構成的零電流軟件開關變換器，并描繪了其在穩(wěn)態(tài)時的工作原理。對帶有電壓箝位二極管環(huán)路的半橋零電流諧振DC-DC變換器的性能進行了評價。實驗結果表明，該變換器結構簡單，成本低，效率高，容易實現(xiàn)軟開關，且產生的開關損耗很小。
[關鍵詞]：雙極性靜電感應晶體管；軟開關；半橋；零電流；電壓箝位; 

1  引言

隨著電力電子技術的快速發(fā)展。PWM型DC/DC變換器的應用日益廣泛。如今，高性能、高效率、小型化和輕量化越來越成為各類PWM型DC/DC變換器追求的目標。然而，軟開關技術是電力電子裝置，特別是直流變換裝置向高頻化、高功率密度化發(fā)展的關鍵技術。半橋變換器因所用開關器件少，開關管電壓應力不高。驅動簡單，抗電路不平衡能力強，已在中小型逆變器中得到廣泛應用。半橋零電流轉換諧振技術相對于其它零電流技術，具有很大的優(yōu)越性。因此本文介紹了一種由串聯(lián)諧振逆變器電路構成的零電流軟件開關變換器。

2 靜電感應器件

    雙極型靜電感應晶體管(B-SIT)是將SIT和雙極性器件BJT的作用綜合在一起，取各自優(yōu)點而形成的一種新型快速功率半導體器件。它具有工作頻率高，頻帶寬，輸出功率大、增益高，輸入阻抗高，容易驅動，輸出阻抗低，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。是一種可取代雙極功率晶體管的理想器件。任何一種器件，都需對其特性參數(shù)有很深刻的了解，這樣才能運用自如。雙極性靜電感應晶體管（B-SIT）的典型電特性如表1所示，B-SIT由達林頓電路構成以獲得高電流增益，具有比單晶體管高1V的飽和電壓。

                             表1  典型B—SIT的電特性

3  基于B-SIT的半橋諧振DC-DC變換器電路

變換器的電路構成，如圖1所示，包括兩個準諧振開關和電壓箝位二極管回路的基本半橋型電壓箝位ZCS（即零電流開關）諧振DC-DC變換器電路，SI器件采用B-SIT晶體管。

圖1 半橋型電壓箝位ZCS諧振DC--DC變換器電路

3.1 工作原理

穩(wěn)態(tài)工作下的典型電壓和電流波形，如圖2所示，這里僅介紹上邊單元1電路中的開關工作。設開關器件為理想的，假如在t＜t0時刻，開關器件（SW1）處于截止狀態(tài)，即U_SW1=0，U_C1=-E，i_sw1=0，i_D2=0。分析如下：

狀態(tài)1（t₀≤t≤t₁）：當SW1在t₀時刻導通時，諧振電路由開關器件（SW1）、諧振電容（C1）、電感（L₁₁）組成，諧振電流在閉合回路SW1→L₁₁→C₁中流動。I_CS工作的準諧振頻率由L₁₁和C₁決定。諧振電容電壓U_C1從-E逐漸增加。

狀態(tài)2（t₁≤t≤t₂）：當加在諧振電容上的電壓U_C1在t₁時刻達到-E/2V時，二極管D₂₁導通，電流i_D21經電感L₂₁流向負載，并且i_sw1在t₂時刻消失，變換器的諧振頻率由諧振電容C₁和諧振電感I₂₁決定。

狀態(tài)3（t₂≤t≤t₃）：此后，諧振電容電壓U_C1達到峰值，U_C1開始減小并在t₃時刻達到0，同時，加在開關器件上的電壓U_SW1達到0值。

狀態(tài)4（t₃≤t≤t₄）：當U_C1在t₄時刻達到-E，二極管D₁₁導通，因二極管D₁₁成為正偏，貯存在電抗器L₂₁中的電磁能量經負載還原到DC電源直到t₄時刻，且開關器件上的電壓U_SW1箝位于DC電源電壓（E）。

狀態(tài)5（t₄≤t≤t₅）：該狀態(tài)中的電流和電壓如下：i_D11=0，i_D21=0， i_L21=0，U_SW1=E，U_C1=-E，因為兩單元為相反相位的對稱工作，結果加在高頻輸出變壓器原邊線圈上的輸出電壓波形（Up）成為如圖2中的正弦波電壓。

圖2  穩(wěn)態(tài)下的典型電壓、電流波形

3.2  ZCS諧振變換器電路的特點

⑴變換器將電源開關器件的開關損耗減至最小。

⑵開關器件上的U_SW1和U_SW2被箝位二極管（D₁₁、D₁₂）箝位于電源DC電壓值，所以開關器件上的電壓減為恒值。

⑶通過改變單元1和單元2驅動開關模型之間的相差角變換器的輸出電壓能夠從最小值到最大值連續(xù)變化。

輸出電壓調節(jié)策略下的門極開關信號序列，如圖3示，為了調節(jié)輸出電壓，單元2中的SW₂以相對于單元1值SW₁一定的移相差角（φ）工作，通過控制相差角（φ），輸出電壓能從零到最大電壓值平滑控制。

圖3 輸出電壓調節(jié)控制開關序列