一組新穎的ZCS_PWM變換器的研究

0 引言
在中功率開關(guān)變換器中，為了提高功率密度，通常都采用提高開關(guān)頻率的方式。但是隨著頻率的提高，開關(guān)損耗也增加，因此必須采用軟開關(guān)技術(shù)來降低開關(guān)損耗。準(zhǔn)諧振變流器可以工作在高開關(guān)頻率和軟開關(guān)狀態(tài)下。但是，這一類零電流開關(guān)諧振技術(shù)也受到大電流、高電壓或者頻率調(diào)制的影響。可以在諧振電路中增加輔助開關(guān)和輔助的無源元件，實(shí)現(xiàn)恒頻控制，降低電流和電流應(yīng)力。但是，這一類電路的主要缺點(diǎn)就是主開關(guān)的電流應(yīng)力比較高，導(dǎo)通損耗較大。本文提出一種新的ZCS_PWM單元電路。通過將諧振回路按照不同的方向分開，從而強(qiáng)制諧振電流不在所有的開關(guān)器件中流通，以降低電流應(yīng)力。

l 新型ZCS_PWM工作機(jī)理分析
圖1所示為傳統(tǒng)的ZCS_PWM變換器的基本單元及其對(duì)應(yīng)的ZCS_PWM Boost變換器。為了降低主開關(guān)管的電流應(yīng)力，如圖2所示，在傳統(tǒng)單元電路的基礎(chǔ)上，增加了輔助二極管Ds1和Ds2,在一個(gè)諧振周期中，諧振回路被分開了。只有半個(gè)周期的諧振電流流過每個(gè)開關(guān)管，因此減輕了S1和S2的電流應(yīng)力。圖3是在圖2所示單元的基礎(chǔ)上構(gòu)建的ZCS_PWM Boost變換器。圖4所示為圖3所示Boost電路的主要仿真波形。圖5所示為該電路在一個(gè)工作周期中的各個(gè)工作狀態(tài)。變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的各個(gè)工作模態(tài)分析如下。

1)[O～to]主開關(guān)S1斷開，D1導(dǎo)通，輸入電壓Vin經(jīng)輸入電感L1向負(fù)載傳遞能量。
2)[to～tl] S1導(dǎo)通，電流由D1轉(zhuǎn)向S1，S1電流以Vo／L1r的速度增長。因?yàn)長，存在，S1是零電流開通。
3)[tl～f2] S1、D1電流轉(zhuǎn)換結(jié)束，L1由Vin充電儲(chǔ)能。
4)[t2～t3] 在t2時(shí)刻，輔助開關(guān)S2導(dǎo)通，由Cr和，Lr構(gòu)成諧振電路，當(dāng)諧振進(jìn)行到1／2周期時(shí)，Cr上的電壓等于Vin,流經(jīng)S2中的電流is2為O。因?yàn)镈s2的存在，S2為零電流關(guān)斷。
5)[t3～t4] 在下半個(gè)諧振周期開始時(shí)，諧振電流流經(jīng)S1和Ds1，，流經(jīng)S1的電流is1開始減小。
6)[t4一t5] 當(dāng)流經(jīng)Ds1的諧振電流大于Iin時(shí)，S1的體二極管導(dǎo)通，S1實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
7)[ts～t6] 當(dāng)諧振電流減小至Iin時(shí)，S1的體二極管關(guān)斷，L1以恒流Iin對(duì)C1進(jìn)行充電，當(dāng)Cr上的電壓達(dá)到Vin+Vo時(shí)，Ds1關(guān)斷。之后，又開始下一個(gè)周期的工作。

2 新的ZCS_PWM Boost變換器族
基于前面提出的ZCS_PWM單元電路和0oost變換器，按照單元電路在Boost電路中不同的位置構(gòu)建不同ZCS_PWM Boost變流器。圖6所示的Boost電路就是由圖3所示的Boost電路衍生出的一族ZCS_PWM Boost電路。圖6中所示的單元電路的工作機(jī)理同樣也可以用上述方法進(jìn)行分析。通過分析可以看出，這4個(gè)結(jié)構(gòu)的工作步驟與圖3類似，通過在Boost電路上增加新型的輔助電路，在一個(gè)諧振周期中，把諧振回路分成兩個(gè)部分，這樣流過每個(gè)開關(guān)管的諧振電流只有半個(gè)周期，因此減輕了S1和S2的電流應(yīng)力，同時(shí)也減小了整個(gè)電路的損耗。因?yàn)檫@些電路都是基于Boost電路進(jìn)行構(gòu)架，而且僅僅在結(jié)構(gòu)上有所不同，電路整個(gè)周期的工作原理相同，于是把這5個(gè)電路歸納為同一族ZCS_PWM Boost電路。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證理論分析，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D3中提出的Boost變換器，構(gòu)建了一臺(tái)1 kW的DC／DC樣機(jī)。輸人為DC 90~150V，輸出為DC375V，開關(guān)頻率為95 kHz。如圖7所示，在輸入電壓為90V時(shí)所測得的電流波形與圖4的仿真波形相吻合。圖7中所示的流經(jīng)開關(guān)的電流波形和整流二極管的電壓波形，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相吻合。樣機(jī)的效率如圖8所示。為了說明新的變換器的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的ZCS_PWM變換器(圖1)進(jìn)行了比較。

表1為主要器件的參數(shù)，在滿負(fù)載情況下，改進(jìn)型ZCS電路的效率提高了l.5％。表1為電路中所使用的器件列表。

4 結(jié)語
本文介紹了，一族新型的ZCS_PWM單元電路。此單元電路能夠降低流過器件的諧振電流，從而降低了開關(guān)管的導(dǎo)通電流。在此ZCS_PWM單元電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建了更多的ZCS變換器。通過電路的衍生，一族ZCS_PWM變換器被推出。在這一族電路中，所有的變換器都能工作在零電流工作方式，從而降低了開關(guān)和二極管的電流應(yīng)力，與傳統(tǒng)的ZCS―PWM變換器相比提高了工作效率。