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(gòu)成的零電流軟件開關(guān)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(jìn)行了評價。實驗結(jié)果表明，該變換器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率高，容易實現(xiàn)軟開關(guān)，且產(chǎn)生的開關(guān)損耗很小。
[關(guān)鍵詞]：雙極性靜電感應(yīng)晶體管；軟開關(guān)；半橋；零電流；電壓箝位; 

1  引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展。PWM型DC/DC變換器的應(yīng)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(biāo)。然而，軟開關(guān)技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)。半橋變換器因所用開關(guān)器件少，開關(guān)管電壓應(yīng)力不高。驅(qū)動簡單，抗電路不平衡能力強(qiáng)，已在中小型逆變器中得到廣泛應(yīng)用。半橋零電流轉(zhuǎn)換諧振技術(shù)相對于其它零電流技術(shù)，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(gòu)成的零電流軟件開關(guān)變換器。

2 靜電感應(yīng)器件

    雙極型靜電感應(yīng)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(dǎo)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(qū)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(yīng)晶體管（B-SIT）的典型電特性如表1所示，B-SIT由達(dá)林頓電路構(gòu)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(gòu)成，如圖1所示，包括兩個準(zhǔn)諧振開關(guān)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(guān)）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(guān)工作。設(shè)開關(guān)器件為理想的，假如在t＜t0時刻，開關(guān)器件（SW1）處于截止?fàn)顟B(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(dāng)SW1在t₀時刻導(dǎo)通時，諧振電路由開關(guān)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(zhǔn)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(dāng)加在諧振電容上的電壓U_C1在t₁時刻達(dá)到-E/2V時，二極管D₂₁導(dǎo)通，電流i_D21經(jīng)電感L₂₁流向負(fù)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(dá)到峰值，U_C1開始減小并在t₃時刻達(dá)到0，同時，加在開關(guān)器件上的電壓U_SW1達(dá)到0值。

狀態(tài)4（t₃≤t≤t₄）：當(dāng)U_C1在t₄時刻達(dá)到-E，二極管D₁₁導(dǎo)通，因二極管D₁₁成為正偏，貯存在電抗器L₂₁中的電磁能量經(jīng)負(fù)載還原到DC電源直到t₄時刻，且開關(guān)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(jié)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(guān)器件的開關(guān)損耗減至最小。

⑵開關(guān)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(guān)器件上的電壓減為恒值。

⑶通過改變單元1和單元2驅(qū)動開關(guān)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(diào)節(jié)策略下的門極開關(guān)信號序列，如圖3示，為了調(diào)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(diào)節(jié)控制開關(guān)序列