采用双极型静电感应晶体管实现ZCS谐振变换器电路的设计

1、引言

随着电力电子技术的快速发展。PWM型DC/DC变换器的应用日益广泛。如今，高性能、高效率、小型化和轻量化越来越成为各类PWM型DC/DC变换器追求的目标。然而，软开关技术是电力电子装置，特别是直流变换装置向高频化、高功率密度化发展的关键技术。半桥变换器因所用开关器件少，开关管电压应力不高。驱动简单，抗电路不平衡能力强，已在中小型逆变器中得到广泛应用。半桥零电流转换谐振技术相对于其它零电流技术，具有很大的优越性。因此本文介绍了一种由串联谐振逆变器电路构成的零电流软件开关变换器。

2、静电感应器件

双极型静电感应晶体管（B-SIT）是将SIT和双极性器件BJT的作用综合在一起，取各自优点而形成的一种新型快速功率半导体器件。它具有工作频率高，频带宽，输出功率大、增益高，输入阻抗高，容易驱动，输出阻抗低，热稳定性好等优点。是一种可取代双极功率晶体管的理想器件。任何一种器件，都需对其特性参数有很深刻的了解，这样才能运用自如。双极性静电感应晶体管（B-SIT）的典型电特性如表1所示，B-SIT由达林顿电路构成以获得高电流增益，具有比单晶体管高1V的饱和电压。

3、基于B-SIT的半桥谐振DC-DC变换器电路

变换器的电路构成，如图1所示，包括两个准谐振开关和电压箝位二极管回路的基本半桥型电压箝位ZCS（即零电流开关）谐振DC-DC变换器电路，SI器件采用B-SIT晶体管。

3.1 工作原理

稳态工作下的典型电压和电流波形，如图2所示，这里仅介绍上边单元1电路中的开关工作。设开关器件为理想的，假如在t＜t0时刻，开关器件（SW1）处于截止状态，即USW1=0，UC1=-E，isw1=0，iD2=0。分析如下：

状态1（t0≤t≤t1）：当SW1在t0时刻导通时，谐振电路由开关器件（SW1）、谐振电容（C1）、电感（L11）组成，谐振电流在闭合回路SW1→L11→C1中流动。ICS工作的准谐振频率由L11和C1决定。谐振电容电压UC1从-E逐渐增加。

状态2（t1≤t≤t2）：当加在谐振电容上的电压UC1在t1时刻达到-E/2V时，二极管D21导通，电流iD21经电感L21流向负载，并且isw1在t2时刻消失，变换器的谐振频率由谐振电容C1和谐振电感I21决定。

状态3（t2≤t≤t3）：此后，谐振电容电压UC1达到峰值，UC1开始减小并在t3时刻达到0，同时，加在开关器件上的电压USW1达到0值。

状态4（t3≤t≤t4）：当UC1在t4时刻达到-E，二极管D11导通，因二极管D11成为正偏，贮存在电抗器L21中的电磁能量经负载还原到DC电源直到t4时刻，且开关器件上的电压USW1箝位于DC电源电压（E）。

状态5（t4≤t≤t5）：该状态中的电流和电压如下：iD11=0，iD21=0， iL21=0，USW1=E，UC1=-E，因为两单元为相反相位的对称工作，结果加在高频输出变压器原边线圈上的输出电压波形（Up）成为如图2中的正弦波电压。

3.2 ZCS谐振变换器电路的特点

⑴变换器将电源开关器件的开关损耗减至最小。

⑵开关器件上的USW1和USW2被箝位二极管（D11、D12）箝位于电源DC电压值，所以开关器件上的电压减为恒值。

⑶通过改变单元1和单元2驱动开关模型之间的相差角变换器的输出电压能够从最小值到最大值连续变化。

输出电压调节策略下的门极开关信号序列，如图3示，为了调节输出电压，单元2中的SW2以相对于单元1值SW1一定的移相差角（φ）工作，通过控制相差角（φ），输出电压能从零到最大电压值平滑控制。

3.3 实验结果

在试验电路板上，观察了使用B-SIT组件的功率转换效率，它在最大输出电压时为94%，变换器的电路元件参数设计如下：

L11=L12=3.5μH， L21=L22=16.5μH， C=1200μF， C1=C2=0.58uF， R=2.5Ω， L01=2.2mH， L02=0.76 mH， E=100V。

4 、 结论

本文设计了一种基于B-SIT的新型半桥谐振DC-DC变换器电路。并分析了该变换器的工作原理和参数选择。试验结果表明。谐振变换器具有易实现软开关、能工作在很高开关频率下，产生的开关损耗小等优点。并且该变换器结构简单，成本低，效率高，电压能从零到最大值平滑控制，具有一定的实用价值。

该变换器电路广泛应用于大功率感应加热逆变器、大功率超声波发生器、高压臭氧发生器等设备上。

本文创新点：将一种新型高速功率半导体器件B-SIT应用于半桥谐振DC-DC变换器电路中，成功实现了半桥零电流谐振DC-DC变换器的功能。对B-SIT和ZCS谐振变换器电路的推广应用提供了一定的实用价值。

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