新型兩相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的研究??

摘要：把零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)和多相變換技術(shù)相結(jié)合就可獲得一簇新型多相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器。這些變換器具有高性能和高功率密度。主要分析了兩相Boost零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時的諧振元件參數(shù)的設(shè)計和仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：零電壓轉(zhuǎn)換；多相變換器；高功率密度

?

1??? 概述

??? 通過提高開關(guān)頻率可獲得高性能和高功率密度功率變換器，但傳統(tǒng)的硬開關(guān)PWM變換器工作在高頻時開關(guān)損耗很大。因此，硬開關(guān)PWM變換器的應(yīng)用具有局限性。為此，人們提出了用軟開關(guān)技術(shù)來減小開關(guān)損耗，大多數(shù)軟開關(guān)變換器是以大幅度地增加開關(guān)器件的電壓或電流應(yīng)力為代價來降低開關(guān)損耗的，這導(dǎo)致開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗顯著增加。在零轉(zhuǎn)換PWM變換器^[1]中，輔助電路在很寬的輸入電壓和負載變化范圍內(nèi)以最小的電壓和電流應(yīng)力為主開關(guān)管提供零電壓開關(guān)，這使得ZVTPWM變換器在中大功率場合得到廣泛應(yīng)用。

??? 獲得高性能和高功率密度功率變換器的另一種方法是采用多相技術(shù)。輸入電感交錯工作時，對于n相變換器來說，輸入和輸出濾波電容的工作頻率提高了n倍，因此，使輸入和輸出濾波器中電容保持很小的電流紋波；并且可以獲得良好的動態(tài)性能。如果將ZVT和多相變換技術(shù)結(jié)合起來，就可以得到更好的動態(tài)性能和更高功率密度的功率變換器。簡單地將多相技術(shù)和ZVT變換器結(jié)合起來的ZVT多相變換器是非常復(fù)雜的。因為一個n相的ZVT變換器需要n個輔助電路。幾種基本的兩相ZVT PWM變換器^[2]如圖1所示。這些變換器中只包含了一個有源開關(guān)的輔助電路通過n個二極管交替地為所有相的主開關(guān)管提供零電壓開通條件。本文主要分析了兩相Boost ZVT PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時的仿真結(jié)果和諧振元件參數(shù)的設(shè)計。

2??? 工作原理

??? 兩相Boost ZVT PWM變換器如圖1（c）所示。

??? 在進行討論之前，作如下幾點假設(shè)：

??? ——所有元器件都是理想的；

??? ——輸入濾波電感足夠大，故在一個開關(guān)周期中，電壓源V_in及輸入濾波電感L_f1，L_f2可用一恒 值 電 流 源I_in1，I_in2代 替 ；

??? — —輸 出 濾 波 電 容 足 夠 大 ， 故 在 一 個 開 關(guān) 周 期 中 ，C_f，R₁可 用 一 恒 值 電 壓 源V_o代 替 。

(a)??? Buck

(b)??? Buck- Boost

(c)??? Boost

(d)??? Cuk

圖1??? 基本的兩相ZVTPWM變換器

2.1??? D>0.5時的工作原理

??? 設(shè)初始狀態(tài)為主功率開關(guān)管S₁及輔助開關(guān)管S_r均為關(guān)斷狀態(tài)，主功率開關(guān)管S₂和升壓二極管D₁處于導(dǎo)通狀態(tài)。v_c1(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0，v_c2(t₀)=0。

??? 圖2為各主要變量的理論穩(wěn)態(tài)波形圖，圖3為該變換器在半個開關(guān)周期中的不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電路。各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。

圖2??? D >0.5時 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩(wěn) 態(tài) 波 形

(a)模 態(tài)1??????????????????????????????? (b)模 態(tài)2

(c)模 態(tài)3??????????????????????????????? (d)模 態(tài)4

(e)模 態(tài)5??????????????????????????????? (f)模 態(tài)6

(g)模 態(tài)7??????????????????????????????? (h)模 態(tài)8

圖3???? D>0.5時 的 半 個 開 關(guān) 周 期 中 的 不 同 開 關(guān) 狀 態(tài) 下 的 等 效 電 路

??? 1）模態(tài)1[t₀－t₁]??? 對應(yīng)于圖3（a），在t₀時刻S_r導(dǎo)通，諧振電感L_r中的電流從0開始線性上升，其上升斜率為di_Lr/dt=v_o/L_r，升壓二極管D₁的電流開始減小。在t₁時刻通過電感L_r的電流上升到I_in1，升壓二極管D₁的電流減小到0，D₁自然關(guān)斷，模態(tài)1結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時間為：t₀₁=L_rI_in1/V_o。

??? 2）模態(tài)2[t₁－t₂]??? 對應(yīng)于圖3（b），在t₁時刻升壓二極管D₁關(guān)斷，L_r與C₁開始諧振。電感L_r中的電流繼續(xù)上升，而電容C₁開始放電。i_Lr和v_C1分別為

??? i_Lr(t)=I_in1＋sinω_r(t－t₁)v_C1=V_ocosω_r(t－t₁)

式中：ω_r=；

????? z_r=；

????? C_r=C₁=C₂。

??? 在t₂時刻C₁的電壓下降到0，電感L_r1中的電流為i_Lr(t₂)=I_in1＋V_o/Z_r，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時間為：t₁₂=。

??? 3）模態(tài)3[t₂－t₃]??? 對應(yīng)于圖3（c），在t₂時刻如果V_o/Z_r<I_in2時，電感L_r中的電流一部分流過I_in1和D_r1續(xù)流，另外一部分流過I_in2和D_r2續(xù)流，則通過主開關(guān)管S₂中的電流小于I_in2。反之，電感L_r中的電流一部分流過I_in1和D_r1續(xù)流，另外一部分流過S₁和S₂的反并二極管D_s1和D_s2續(xù)流，i_s2出現(xiàn)負值，此時開通S₁就是零電壓開通。S₁的開通時刻應(yīng)該滯后于S_r開通，滯后時間為

??? t_d>t₀₁＋t₁₂=＋。

??? 4）模態(tài)4[t₃－t₄]??? 對應(yīng)于圖3（d），在t₃時刻S_r關(guān)斷，i_Lr線性減小。在t₄時刻i_Lr線性減小到I_in1時，模態(tài)4結(jié)束。

??? 5）模態(tài)5[t₄－t₅]??? 對應(yīng)于圖3（e），在該模態(tài)中i_Lr繼續(xù)線性減小，S₁中的電流線性上升。在t₅時刻S₁中的的電流上升到I_in1，L_r中的電流減小到0，模態(tài)5結(jié)束。

??? 6）模態(tài)6[t₅－t₆]??? 對應(yīng)于圖3（f），在該模態(tài)中S₁和S₂同時導(dǎo)通工作，直到主開關(guān)管S₂關(guān)斷，模態(tài)6結(jié)束。

??? 7）模態(tài)7[t₆－t₇]??? 對應(yīng)于圖3（g），在t₆時刻，主開關(guān)管S₂關(guān)斷，輸入電流I_in2給電容C₂恒流充電，C₂的電壓從零開始線性上升，v_C2=(t－t₈)。所以S₂是零電壓關(guān)斷。在t₉時刻C₂的電壓達到V_o，模態(tài)7結(jié)束。

??? 8）模態(tài)8[t₇－t₈]??? 對應(yīng)于圖3（h），在該模態(tài)中主功率開關(guān)管S₁和升壓二極管D₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，主功率開關(guān)管S₂和升壓二極管D₁均為關(guān)斷狀態(tài)，在t₈時刻輔助開關(guān)管S_r再次導(dǎo)通，開始另一半開關(guān)周期的工作，其工作情況類似于上述的半個周期。

2.2??? D≤0.5時的工作原理

??? 設(shè)初始狀態(tài)為主功率開關(guān)管S₁和S₂及輔助開關(guān)管S_r均為關(guān)斷狀態(tài)，升壓二極管D₁，D₂處于導(dǎo)通狀態(tài)。v_c1(t₀)=v_c2(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0。

??? 當占空比小于0.5時，每半個開關(guān)周期內(nèi)有十個開關(guān)模態(tài)。圖4為各主要變量的理論穩(wěn)態(tài)波形圖，圖5為各開關(guān)模態(tài)的等效電路。各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。

圖 4??? D≤ 0.5 時 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩(wěn) 態(tài) 波 形

(a) 模 態(tài) 1??????????????????????????????? (b) 模 態(tài) 2

(c) 模 態(tài) 3??????????????????????????????? (d) 模 態(tài) 4

(e) 模 態(tài) 5??????????????????????????????? (f) 模 態(tài) 6

(g) 模 態(tài) 7??????????????????????????????? (h) 模 態(tài) 8

(i) 模 態(tài) 9??????????????????????????????? (j) 模 態(tài) 10

圖 5??? D≤0.5時 的 各 開 關(guān) 模 態(tài) 的 等 效 電 路

??? 1）模態(tài)1[t₀－t₁]??? 對應(yīng)于圖5（a），在t₀時刻S_r導(dǎo)通，諧振電感L_r中的電流從0開始線性上升，升壓二極管D₁及D₂的電流開始減小。在t₁時刻電感L_r的電流上升到I_in1＋I_in2，升壓二極管D₁及D₂的電流同時減小到0，D₁及D₂自然關(guān)斷，模態(tài)1結(jié)束。

??? 2）模態(tài)2[t₁－t₂]??? 對應(yīng)于圖5（b），在t₁時刻升壓二極管D₁及D₂關(guān)斷，L_r，C₁及C₂開始諧振。電感L_r中的電流繼續(xù)上升，而電容C₁及C₂開始放電。i_Lr和v_C1（v_C2）分別為

??? i_Lr(t)=I_in1＋I_in2＋sinω_rr(t－t₁)

??? v_C1(t)=V_ocosω_rr(t－t₁)

式中：ω_rr=；

????? Z_rr=；

????? C_r=C₁=C₂。

??? 在t₂時刻C₁及C₂的電壓同時下降到0，電感L_r1中的電流為i_Lr(t₂)=I_in1＋I_in2＋，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時間為t₁₂=。值得注意的是：當D≤0.5時，諧振電路的特征阻抗為D>0.5時的。相應(yīng)地，諧振電感的初始電流是D>0.5時的2倍，諧振電流增大了倍。因此，輔助電路處理的功率約為D>0.5時的2倍。

??? 3）模態(tài)3[t₂－t₃]??? 對應(yīng)于圖5（c），在t₂時刻D_s1及D_s2同時導(dǎo)通，電感L_r中的電流一部分流過I_in1和I_in2續(xù)流，另一部分流過D_s1和D_s2續(xù)流，此時開通S₁就是零電壓開通。S₁的開通時刻應(yīng)該滯后于S_r開通時刻。

??? 4）模態(tài)4[t₃－t₄]??? 對應(yīng)于圖5（d），在t₃時刻S_r關(guān)斷，i_Lr線性減小，在t₄時刻i_Lr減小到I_in1＋I_in2時，D_s1及D_s2同時關(guān)斷，模態(tài)4結(jié)束。

??? 5）模態(tài)5[t₄－t₅]??? 對應(yīng)于圖5（e），在該模態(tài)中i_Lr繼續(xù)線性減小，S₁中的電流線性上升。在t₅時刻S₁中的的電流上升到I_in1，L_r中的電流減小到I_in2，模態(tài)5結(jié)束。

??? 6）模態(tài)6[t₅－t₆]??? 對應(yīng)于圖5（f），在t₅時刻D_s1關(guān)斷，L_r和C₂開始諧振，電感L_r中的電流繼續(xù)減小，而電容C₂開始充電。i_Lr和v_C2分別為

??? i_Lr(t)=I_in2－sinω_r(t－t₅)

??? v_C2(t)=V_o(1－cosω_r(t－t₅))

式中：ω_r=；

????? Z_r=；

????? C_r=C₁=C₂。

??? 假如I_in2<，在t₆時刻i_Lr減小到零，模態(tài)6結(jié)束。

??? 7）模態(tài)7[t₆－t₇]??? 對應(yīng)于圖5（g），在t₆時刻輸入電流I_in2給電容C₂恒流充電到V_o。在t₇時刻，C₂的電壓達到V_o，D₂導(dǎo)通，模態(tài)7結(jié)束。

??? 8）模態(tài)8[t₇－t₈]??? 對應(yīng)于圖5（h），在該模態(tài)中主功率開關(guān)管S₁和升壓二極管D₂導(dǎo)通工作，在t₈時刻，S₁關(guān)斷，模態(tài)8結(jié)束。

??? 9）模態(tài)9[t₈－t₉]??? 對應(yīng)于圖5（i），在t₈時刻關(guān)斷S₁，輸入電流I_in1給電容C₁恒流充電，C₁的電壓從零開始線性上升，所以S₁是零電壓關(guān)斷。在t₉時刻C₁的電壓達到V_o，此時升壓二極管D₁自然導(dǎo)通，模態(tài)9結(jié)束。

??? 10）模態(tài)10[t₉－t₁₀]??? 對應(yīng)于圖5（j），在該模態(tài)中D₁和D₂導(dǎo)通工作。在t₁₀時刻，輔助開關(guān)管S_r再次導(dǎo)通，開始另一半個開關(guān)周期的工作，其工作情況類似于上述的半個周期。

3??? 電路的基本特點

??? 對于兩相Boost ZVT PWM變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式而言，當一個主二極管導(dǎo)通時，輔助電路開始工作，為相應(yīng)的主開關(guān)管提供零電壓開通和相應(yīng)的二極管提供零電流關(guān)斷。為了使輔助電路高效運行，當輔助電路開始工作時，某一相的有源開關(guān)應(yīng)該處于導(dǎo)通狀態(tài)。換句話說，占空比D應(yīng)大于0.5。否則，如圖4中所示的輔助電路處理的功率約為D>0.5時的兩倍，因而增大了輔助電路的損耗。這種兩相Boost ZVT PWM變換器適用于電壓變換比大于0.5的場合。只用一個有源輔助開關(guān)就實現(xiàn)了兩相主開關(guān)管和二極管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，并且主開關(guān)管和升壓二極管中的電壓、電流應(yīng)力與不加輔助電路一樣。

4??? 諧振元件參數(shù)的設(shè)計

??? 對于D>0.5的情況，根據(jù)上述原理分析知，要實現(xiàn)S₁的零電壓開通，必須在S₁的反并二極管導(dǎo)通之后才能給S₁加?xùn)艠O信號。為了保證ZVT開關(guān)的實現(xiàn)，S₁的開通時刻應(yīng)該滯后于S_r開通時刻，滯后時間t_d必須滿足

??? t_d>t₀₁＋t₁₂=＋??? （1）

S₂的零電壓開通條件與S₁一樣。

4.1??? C₁和C₂的設(shè)計

??? C₁是用來使S₁實現(xiàn)零電壓關(guān)斷的，C₁的大小應(yīng)使得v_DS(S₁)即v_C1上升速度不要太快。一般可選擇在最大負載時，v_C1從0上升到V_o的時間為（2～3）t_off，t_off為S₁的關(guān)斷時間。則

??? C₁=(2～3)t_off??? （2）

同樣，可以求取C₂。

4.2??? L_r的設(shè)計

??? 輔助電路只是在主開關(guān)管S₁和S₂開通的一小段時間工作，其它時間停止工作。為了不影響主電路的工作時間，輔助電路的時間不能工作太長，一般可選擇為開關(guān)周期T_s的1/10，即t₀₁＋t₁₂<，也就是

??? ＋≤?（3）

??? 由式（3）可以求出L_r的大小。

5??? 仿真結(jié)果與分析

??? 為驗證兩相Boost ZVT PWM變換器理論分析的正確性，對該變換器進行了仿真分析。仿真參數(shù)如下：輸入電壓V_in=DC 150V；輸出電壓V_o=DC400V；開關(guān)頻率f_s=100kHz；升壓電感L_f1=L_f2=450μH；濾波電容C_f=470μF；輸出電流I_o=2A。由式（2）及式（3）得C₁=C₂=1.8nF，L_r=12μH。兩相Boost ZVT PWM變換器的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為主開關(guān)管S₁及S₂的驅(qū)動信號v_GS1和v_GS2。圖6（b）為輔助開關(guān)管S_r的驅(qū)動信號v_GSr。圖6（c）為諧振電感電流i_Lr和輸入電流i_in1和i_in2的波形，從圖中可以看出輔助電路工作時間很短，只是在主開關(guān)管開通時工作一段時間，因此輔助電路的損耗很小。圖6（d）為流過主開關(guān)管S₁及S₂的電流波形，從圖中可以看出，在續(xù)流階段電流為負，這是因為，=≈4.9>4，即>I_in2max(I_in1max)，所以，電感L_r中的電流一部分流過I_in1和D_r1續(xù)流，另外一部分流過S₁和S₂的反并二極管D_s1及D_s2續(xù)流，圖6(e)為輸出電壓波形，電壓值略大于理論值。

(a)??? v_gs1,v_gs2波形

(b) v_gsr波 形

(c)??? i_Lr，i_in1和i_in2波 形

(d)??? i_s1，i_s2波 形

(e)??? V_o波形

圖6??? 新型兩相Boost ZVT PWM變換器的仿真波形

6??? 結(jié)語

??? 將零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)和多相變換技術(shù)相結(jié)合就可獲得一簇高性能和高功率密度的多相零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器，只用一個有源輔助開關(guān)就實現(xiàn)了兩相主開關(guān)管的零電壓開通和零電壓關(guān)斷以及二極管的零電流關(guān)斷和零電壓開通，并且主開關(guān)管和升壓二極管中的電壓、電流應(yīng)力與不加輔助電路一樣。電路拓撲簡單、成本低使得該類變換器在高性能、高功率密度功率變換場合得到了廣泛的應(yīng)用。本文以兩相Boost變換器為例分析了它的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時的諧振元件參數(shù)的設(shè)計和仿真結(jié)果。