TPE 最高下载量论文!|变流器PWM开关(CPS):一种新的PWM开关概念

1、研究背景

在电力电子中，脉冲宽度调制（PWM）开关是指在两种状态之一下工作的可控开关器件：开（导通电流，电压降最小）或关（截止电压，漏电流可忽略不计）。PWM开关通常使用功率半导体器件来实现，如二极管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或场效应晶体管（MOSFET）。功率半导体的最新进展，特别是宽频段间隙功率器件的出现，显著扩展了开关频率范围，提高了效率和功率密度。同时，对转换器拓扑的广泛研究导致了各种各样的电路配置，每种配置都旨在通过提高效率、减少组件数量和简化控制方案来提高性能。

然而，这两个领域的发展在很大程度上保持独立。在大多数拓扑结构中，无论使用哪种特定的半导体开关，基本特征和限制都保持不变。例如，如图1（a）所示，升压PWM转换器可以由单刀双掷（SPDT）PWM开关形成。在实践中，SPDT开关是使用两个MOSFET开关实现的，如图1（b）所示。然而，在这种基于MOSFET的同步升压转换器以连续导通模式运行时，无论实现哪种半导体开关，主PWM开关Q_a总是经历硬导通。为了克服这个问题，相关研究提出了具有软开关能力的各种改进的升压拓扑。同样，传统升压转换器中缺乏电流隔离是拓扑固有的，不能通过更换半导体开关来解决。因此，基于变压器的升压拓扑已经被开发出来，以在单个转换器中提供隔离的功率传输和升压/或降压功能。总之，拓扑的局限性通常通过开发新拓扑来解决，而不是改变半导体开关的类型。

图1.升压转换器（a）包含理想的SPDT开关。（b）包含传统的MOSFET。（c）包含CPS

本文提出了一种全新的PWM开关概念：变换器PWM开关（CPS）。与现有基于单个半导体开关的PWM开关相比，所提出的CPS的关键创新在于，它不仅起到PWM开关元件的作用，同时还作为一个功率处理变换器。凭借这一特性，它提供了一种非常灵活的方式，通过将其中一个变换器重新配置为CPS，从而将两个完全不同的变换器的优势整合到一个变换器中。因此，CPS的不同实现可以在同一个转换器中实现，以提供传统开关无法提供的功能。下面列出了一些例子：

1）在原始非隔离拓扑中引入电流隔离。

2）在原始硬开关器件或转换器上实现零电压开关（ZVS）。

3）在固定增益LLC/CLLC转换器上结合PWM占空比控制。

4）在原始拓扑中添加额外的控制自由度。

5）在原始拓扑中添加额外的输出/输入电源端口。

6）…

此外，与传统的基于半导体开关的开关不同，其进展主要集中在使用更好的半导体器件来减少损耗并实现更高的功率密度，而CPS概念开辟了更广阔的设计空间。它允许灵活地选择和配置结构，以满足特定应用目标，使其成为一个高度通用且广泛适用于先进电力电子系统的概念。这项创新催生了一类新型的功率变换器：基于CPS的变换器。许多现有的变换器拓扑可以被重新配置为CPS来运行，但最有趣的是那些基于隔离型拓扑的结构。如图1(c)所示，用CPS替换传统基于MOSFET的升压变换器中的主开关Q_a，即可得到一种新型的基于CPS的隔离型变换器。

2、CPS的定义和推导

A. CPS的定义

PWM开关在“0”状态（ON状态）和“1”状态（OFF状态）之间切换。在“0”状态，开关以非常低的电压降导通电流；在“1”状态（OFF状态），它以可忽略的电流流动阻断电压。为了执行PWM开关的功能，所提出的CPS还应该能够在“0”和“1”状态之间切换。此外，CPS还应该保留原始转换器的特征和功能。结合这两个要求，CPS的定义如下：

1）CPS是至少有两个端口的转换器。一个被指定为“开关端口”，其他的被指定为“功率端口”。

2）“开关端口”连接到PWM转换器的PWM开关位置。

3）“开关端口”必须能够在PWM频率f_pwm下切换，在“0”状态和“1”状态之间。这里的“0”状态定义为CPS可以以最小的电压降通过“开关端口”传导电流的状态。“1”状态定义为CPS可以支持“开关端口”上的电压而不会产生重大损失的状态。

4）CPS应该能够在两个状态中的至少一个状态下在“开关端口”和“功率端口”之间传输功率。

5）CPS作为功率转换器的开关频率f_cps必须远高于CPS作为PWM开关的开关频率f_pwm，以确保在PWM开关周期内稳定的功率传输T_pwm。

6）多个CPS可用于替换PWM转换器中的多个PWM开关。

B.基于CLLC转换器的示例CPS

基于著名CLLC谐振变换器的CPS示例（CLLC-CPS）如图2(a)所示。在该配置中，CLLC-CPS有两个端口：原边的"开关端口"和副边的"功率端口"。原始CLLC的输入电容（位于原边）被移除，以实现"开关端口"的"0"状态。通过施加图2(b)所示的栅极信号，可以控制CLLC-CPS的"开关端口"在"0"和"1"状态之间切换。在"0"状态，原边的所有四个MOSFET均导通，有效地短路了"开关端口"，使电流仅以最小的导通损耗流过。在"1"状态，CLLC-CPS以CLLC开关频率  进行开关，该频率通常等于或略低于其谐振频率，使其能够承受"开关端口"两端的正向电压，同时在"开关端口"和"功率端口"之间通过电气隔离高效地传输功率[4]。总之，如图2(a)所示的示例满足所有CPS准则。它作为一个可控的PWM开关以  运行，同时在"1"状态下保持谐振变换器在  时的特性。

值得指出的是，许多其他转换器可以重新配置为用作CPS，但这方面不会在本文中进一步讨论。

图2.从CLLC转换器导出的示例CPS。（a）CLLC-CPS的结构。（b）CLLC-CPS两种状态的门信号。

3、基于CPS的转换器示例

基于CPS的变换器实例如图3(a)所示，该变换器将上述CLLC-CPS集成于PWM升压变换器中。此变换器可视为一种新型升压型隔离式DC/DC变换器。该变换器在占空比下运行的关键波形如图3(b)所示。在此实现中，CLLC-CPS的变换器开关频率被选定为PWM开关频率的六倍。因此，在占空比  时，可在CPS的“1”状态下观察到三个完整的CLLC周期。在之前，开关关断，CLLC-CPS处于“0”状态。升压电感电流以的斜率线性增加。励磁电流  因原边开关短路而为零。输出电容向负载供电。电容  两端的电压可使用标准升压变换器的电压比公式  计算，其中  是CLLC-CPS的占空比，定义为 。

在  时刻，假设电流均分，开关  和  以  的电流关断。电感电流从CLLC-CPS换流至  的二极管，导致  两端的电压下降，直到其反并联二极管正向偏置，产生正向压降 ，同时CLLC-CPS两端的电压上升至 。因此，电感电流开始以近似  的斜率下降。CLLC-CPS进入“1”状态。从  到 ，励磁电流线性上升。同时，谐振电流在两侧开始增加。一旦次级谐振电流开始导通， 和  实现ZVS开通。此区间被认为是  和CLLC-CPS之间的死区时间，在此期间实现了ZVS和电流换流。

从  到  实现ZVS开通。然而，这并不改变电路工作状态。大部分电感电流继续通过  流入 ，而剩余的电感电流则流入CLLC-CPS，并将功率传输至隔离的输出端。

在  时刻，开关 、、 和  实现ZVS开通。在从  到  的区间内，CLLC-CPS保持在“1”状态。因此，电路行为类似于标准的CLLC变换器，其中所有开关均实现ZVS开通。由于这些开关的ZVS条件与标准CLLC变换器相同，而相关文献中已对此进行了详尽分析，故此处不再赘述。但值得注意的是，谐振电流的幅值持续增加以向输出传输功率。

在  时刻， 关断，由于电感电流低于原边谐振电流，关断电流为 。剩余的谐振电流通过  和  循环。结果，CLLC-CPS两端的电压降至 ，而  两端的电压升至 。由于  和  保持导通，一个较大的直流电压  施加在谐振腔上，驱动谐振电流几乎线性下降。在从  到  的区间内，谐振电流持续下降直至达到零。

在  时刻， 和  实现ZVS开通。 和  关断，关断电流为剩余的次级谐振电流。从  到 ，CLLC-CPS工作在“0”状态，因此电感电流再次线性增加，而输出电压下降。这与  之前的工作阶段相同。在  时刻，基于CPS的升压变换器的下一个开关周期开始。

图3.在升压转换器中实现CPS。（a）基于CPS的升压转换器。（b）以0.5占空比运行的基于CPS的升压的关键波形。

4、结论

本文介绍了一个全新的PWM开关概念，变换器PWM开关（CPS），它可以从各种现有的变换器中派生出来，从而导致CPS的不同实现。当集成到PWM变换器电路中时，CPS不仅可以作为可控PWM开关，还可以作为变换器，为原始拓扑带来额外的好处，例如改进的ZVS性能、更宽的电压转换范围和更大的控制灵活性。介绍了CPS的定义，随后详细推导了一个典型的例子，即CLLC-CPS。此外，CLLC-CPS集成到升压变换器中作为一个实际例子进行了演示。

最后，CPS概念在基于10 kW CPS的升压变换器中进行了实验验证。 实验波形证实了ZVS的性能。值得注意的是，与具有类似工作条件的公开设计相比，所提出的基于CPS的升压实现了99.1%的异常高的峰值效率，同时在宽工作范围内保持了高效率。这些有希望的结果突出了所提出的CPS在实现新一代基于CPS的转换器方面的巨大潜力。