零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器的拓?fù)渚C述

摘要：零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器是器件應(yīng)力較小、效率較高的1種DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較為廣泛。介紹了近幾年出現(xiàn)的幾種新穎的零轉(zhuǎn)換PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了它們的工作原理，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：零轉(zhuǎn)換PWM變換器；ZVT-PWM；ZCT-PWM，ZCZVTPWM

1 引言

為了減小功率變換器的體積、重量和開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率和工作效率，在DC/DC變換器中常采用軟開關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓（零電流）開通或關(guān)斷。具體的方法有4種：零電壓準(zhǔn)諧振變換器（ZVS-QRC），零電壓多諧振變換器（ZVS-MRC），ZVS-PWM變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器。

一般而言，ZVS-QRC變換器^[1]電壓應(yīng)力較大，且電壓應(yīng)力與負(fù)載變化范圍成正比；ZVS-MRC變換器^[2]也具有較大的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力；ZVSPWM變換器^[3]則因串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。而零轉(zhuǎn)換PWM變換器則不同，它克服了前面3種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，電路性能大為改善。其電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于，它的諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)管并聯(lián)；在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振，獲得零開關(guān)條件；在開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，電路又恢復(fù)到正常的PWM工作方式。這種電路結(jié)構(gòu)給其帶來了4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1)功率開關(guān)器件工作在軟開關(guān)條件下，承受的電壓、電流應(yīng)力較低；

2)在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)，都能較好地保持零電壓特性；

3)輔助諧振網(wǎng)絡(luò)并不需要處理很大的環(huán)流能量，因此電路的導(dǎo)通損耗較?。?/p>

4)采用PWM控制方式，實(shí)現(xiàn)了恒頻控制。

由于零轉(zhuǎn)換PWM電路的突出優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛研究和應(yīng)用。最近幾年里，出現(xiàn)了許多新的零轉(zhuǎn)換PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中以ZVT-PWM變換器的一些改進(jìn)、ZCT-PWM變換器、以及ZCZVT-PWM變換器等幾種特色比較突出。本文將對(duì)這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作簡要介紹，重點(diǎn)分析它們的工作原理，并剖析它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 ZVT-PWM變換器及其改進(jìn)

2.1 普通的ZVT-PWM變換器

圖1所示是文獻(xiàn)[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在主開關(guān)管S之上，并聯(lián)了一個(gè)由諧振電容C_r（其中包含了主開關(guān)S的輸出電容和二極管D的結(jié)電容）、諧振電感L_r、輔助開關(guān)S₁及二極管D₁組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。

圖 1 普 通ZVT- PWM變 換 器

在每次S導(dǎo)通前，先導(dǎo)通S₁，使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)諧振。當(dāng)S兩端電容電壓諧振到零時(shí)，導(dǎo)通S。當(dāng)S完成導(dǎo)通后，立即關(guān)斷S₁，使輔助諧振電路停止工作。之后，電路以常規(guī)的PWM方式運(yùn)行。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不

增加電壓/電流應(yīng)力的情況下，實(shí)現(xiàn)了S的零電壓導(dǎo)通和D的零電流關(guān)斷。但由于S₁是在大電流（接近諧振峰值電流）下關(guān)斷、大電壓（接近輸出電壓）下開通，S₁處于一種非常不好的硬開關(guān)環(huán)境。

為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點(diǎn)，近幾年中人們提出了幾種改進(jìn)的ZVT－PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們均實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的軟開關(guān)，減少了開關(guān)損耗。下面對(duì)這幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)分別予以介紹。

2.2 改進(jìn)拓?fù)渲?/p>

圖2所示為文獻(xiàn)[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)?。與圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了一個(gè)電容(C_B)和兩個(gè)二極管（D_r，D₂），但卻同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管S₁和輔助開關(guān)管S₂的軟通斷，以下對(duì)其工作過程進(jìn)行分析。

圖 2 改 進(jìn) 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 一

在分析中作如下假定：

1）輸入電壓V_i為常數(shù)，主電感L_f足夠大，輸入電流I_i為常數(shù)；

2）輸出電容C_f足夠大，輸出電壓V_o為常數(shù)；

3）諧振電路是理想的；

4）諧振電感L_rL_f

5）忽略半導(dǎo)體器件的電壓降和寄生電容；

6）忽略D_r及其它二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。

設(shè)初始狀態(tài)為：S₁及S₂均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)。i_s1=0，i_s2=0，i_D=I_i，v_Cr=V_o，v_CB=0。電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期的工作過程可分為7個(gè)模態(tài)，相應(yīng)的主要波形如圖3所示。

圖 3 工 作 過 程 波 形

模態(tài)1(t₀－t₂) 在t₀時(shí)刻，S₂導(dǎo)通，i_D線性下降，i_s2線性上升，在t₁時(shí)刻，i_s2上升到I_i，i_D下降到0，隨后i_s2繼續(xù)上升，iD反向通過恢復(fù)電流，直到t₂時(shí)刻，i_D達(dá)到最大反向恢復(fù)電流－I_rr，這時(shí)流過S₂和L_r的電流為I_i＋I_rr，該模態(tài)結(jié)束；

模態(tài)2(t₂－t₃) 在t₂時(shí)刻，D關(guān)斷，L_r，C_r開始諧振，直到C_r放電到0，轉(zhuǎn)到模態(tài)3；

模態(tài)3(t₃－t₄) 在t₃時(shí)刻，D_s1自然導(dǎo)通，為S1創(chuàng)造ZVS條件；

模態(tài)4(t₄－t₅) 在t₄時(shí)刻，在零電壓下導(dǎo)通S₁和關(guān)斷S₂，D₁導(dǎo)通，L_r，C_B開始諧振，直到i_Lr=0，該模態(tài)結(jié)束；

模態(tài)5(t5－t₆) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài)；

模態(tài)6(t₆－t₇) 在t₆時(shí)刻，S₁關(guān)斷，輸入電流I_i給電容C_r充電，同時(shí)C_B放電，直到V_Cr=V_o，該模態(tài)結(jié)束；

模態(tài)7(t₇－t₈) 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關(guān)斷狀態(tài)，直到t₈時(shí)刻，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

可見，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了S₁和D在零電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷，S₂在零電流下導(dǎo)通和零電壓下關(guān)斷，兩個(gè)開關(guān)管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關(guān)管為硬通斷的缺點(diǎn)，減少了關(guān)斷損耗。