零轉換PWMDC/DC變換器的拓撲綜述

摘要：零轉換PWMDC/DC變換器是器件應力較小、效率較高的1種DC/DC變換器結構，應用較為廣泛。介紹了近幾年出現的幾種新穎的零轉換PWM變換器的拓撲結構，重點分析了它們的工作原理，比較了它們的優(yōu)缺點。

關鍵詞：零轉換PWM變換器；ZVT-PWM；ZCT-PWM，ZCZVT?PWM

1? 引言

??? 為了減小功率變換器的體積、重量和開關損耗，提高開關頻率和工作效率，在DC/DC變換器中常采用軟開關技術，以實現主開關管的零電壓（零電流）開通或關斷。具體的方法有4種：零電壓準諧振變換器（ZVS-QRC），零電壓多諧振變換器（ZVS-MRC），ZVS-PWM變換器和零轉換PWM變換器。

??? 一般而言，ZVS-QRC變換器^[1]電壓應力較大，且電壓應力與負載變化范圍成正比；ZVS-MRC變換器^[2]也具有較大的電壓應力和電流應力；ZVS?PWM變換器^[3]則因串聯諧振網絡而導致大的導通損耗。而零轉換PWM變換器則不同，它克服了前面3種結構的缺點，電路性能大為改善。其電路結構的特點在于，它的諧振網絡與主開關管并聯；在開關轉換期間，諧振網絡產生諧振，獲得零開關條件；在開關轉換結束后，電路又恢復到正常的PWM工作方式。這種電路結構給其帶來了4個方面的優(yōu)點：

??? 1)功率開關器件工作在軟開關條件下，承受的電壓、電流應力較低；

??? 2)在整個輸入電壓和負載范圍內，都能較好地保持零電壓特性；

??? 3)輔助諧振網絡并不需要處理很大的環(huán)流能量，因此電路的導通損耗較小；

??? 4)采用PWM控制方式，實現了恒頻控制。

??? 由于零轉換PWM電路的突出優(yōu)點，使其得到了廣泛研究和應用。最近幾年里，出現了許多新的零轉換PWM拓撲結構，其中以ZVT-PWM變換器的一些改進、ZCT-PWM變換器、以及ZCZVT-PWM變換器等幾種特色比較突出。本文將對這幾種拓撲結構作簡要介紹，重點分析它們的工作原理，并剖析它們的優(yōu)缺點。

2? ZVT-PWM變換器及其改進

2.1? 普通的ZVT-PWM變換器

??? 圖1所示是文獻[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓撲結構。它在主開關管S之上，并聯了一個由諧振電容C_r（其中包含了主開關S的輸出電容和二極管D的結電容）、諧振電感L_r、輔助開關S₁及二極管D₁組成的輔助諧振網絡。

圖 1? 普 通ZVT- PWM變 換 器

??? 在每次S導通前，先導通S₁，使輔助諧振網絡諧振。當S兩端電容電壓諧振到零時，導通S。當S完成導通后，立即關斷S₁，使輔助諧振電路停止工作。之后，電路以常規(guī)的PWM方式運行。該拓撲結構在不

??? 增加電壓/電流應力的情況下，實現了S的零電壓導通和D的零電流關斷。但由于S₁是在大電流（接近諧振峰值電流）下關斷、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環(huán)境。

??? 為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點，近幾年中人們提出了幾種改進的ZVT－PWM變換器拓撲結構，它們均實現了主開關管和輔助開關管的軟開關，減少了開關損耗。下面對這幾種改進結構分別予以介紹。

2.2? 改進拓撲之一

??? 圖2所示為文獻[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡中增加了一個電容(C_B)和兩個二極管（D_r，D₂），但卻同時實現了主開關管S₁和輔助開關管S₂的軟通斷，以下對其工作過程進行分析。

圖 2? 改 進 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，主電感L_f足夠大，輸入電流I_i為常數；

??? 2）輸出電容C_f足夠大，輸出電壓V_o為常數；

??? 3）諧振電路是理想的；

??? 4）諧振電感L_r<<L_f

??? 5）忽略半導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時間。

??? 設初始狀態(tài)為：S₁及S₂均為關斷狀態(tài)，輸出整流二極管D處于導通狀態(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，每個開關周期的工作過程可分為7個模態(tài)，相應的主要波形如圖3所示。

圖 3? 工 作 過 程 波 形

??? 模態(tài)1(t₀－t₂)??? 在t₀時刻，S₂導通，i_D線性下降，i_s2線性上升，在t₁時刻，i_s2上升到I_i，i_D下降到0，隨后i_s2繼續(xù)上升，iD反向通過恢復電流，直到t₂時刻，i_D達到最大反向恢復電流－I_rr，這時流過S₂和L_r的電流為I_i＋I_rr，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D關斷，L_r，C_r開始諧振，直到C_r放電到0，轉到模態(tài)3；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，D_s1自然導通，為S1創(chuàng)造ZVS條件；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，在零電壓下導通S₁和關斷S₂，D₁導通，L_r，C_B開始諧振，直到i_Lr=0，該模態(tài)結束；

??? 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時刻，S₁關斷，輸入電流I_i給電容C_r充電，同時C_B放電，直到V_Cr=V_o，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)7(t₇－t₈)??? 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態(tài)，直到t₈時刻，進入下一個開關周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了S₁和D在零電壓下導通和關斷，S₂在零電流下導通和零電壓下關斷，兩個開關管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬通斷的缺點，減少了關斷損耗。

2.3? 改進拓撲之二

??? 圖4所示為文獻[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡增加了一個電容，少了一個二極管。以下對其工作過程進行分析。

圖4? 改 進 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 二

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態(tài)為：u_Cf=u_Cr=V_o，i_Cr=0，i_D1=I_i，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關周期可劃分為7個模態(tài)，相應的主要波形如圖5所示。

圖5? 工 作 過 程 波 形

??? 模態(tài)1(t₁－t₂)??? 在t₁時刻，S₂開通，L_r，C_r開始諧振，i_Lr諧振上升，直到i_Lr=I_i，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D₁自然關斷，C_f，C_r，L_r與輸出負載R_L構成諧振回路，直到C_f放電到0，轉到模態(tài)3；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，C_r，L_r通過D_s1，S₂和R_L構成諧振回路，使L_r中的電流繼續(xù)減??；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，i_Lr=I_i，S₁導通，D_s1關斷，此階段中，L_r，C_r通過S₂，S₁和R_L構成諧振回路，使Lr中的電流繼續(xù)減?。?

??? 模態(tài)5(t₅－t₇)??? 在t₅時刻，i_Lr=0，在輸出電容C_o的作用下，L_r，C_r通過D_s2，S₁反向諧振，L_r中的電流反向，S2自行關斷；

??? 模態(tài)6(t₇－t₈)??? 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài)，輸入電源通過S₁給L_s充電；

??? 模態(tài)7(t₈－t₉)??? 在t₈時刻，S₁關斷，輸入電流I_i給電容C_f充電，該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態(tài)，直到進入下一周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了S₁在ZVS條件下通斷，S₂在零電壓、零電流的條件下關斷與開通，兩個開關管都是軟通斷，改善了開關環(huán)境，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬開關的缺點，減小了關斷損耗。

2.4? 改進拓撲之三

??? 圖6所示為文獻[7]提出的另一種改進的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡增加了一個電感、一個二極管和一個電容。其工作原理的分析與前面的基本相似，具體分析可以參考文獻[7]。從中可知，主開關管S₁在零電壓下開通和關斷，輔助開關管S₂在零電流下開通和關斷，從而也克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關管為硬開關的缺點，減小了開關損耗，實現了兩個開關都是軟開關。

圖 6? 改 進 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 三

3? ZCT-PWM變換器

3.1? 普通的ZCT-PWM變換器

??? ZVT-PWM變換器能實現在ZVS下開通，消除導通損耗，但卻不能有效地減小關斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8]，如圖7所示，則能實現主開關在ZCS下關斷，消除關斷損耗。然而，其輔助開關仍然是硬開關，而且，其輸出整流二極管存在嚴重的反向恢復問題，導致大的導通損耗。雖然通過改變控制策略，使輔助開關導通時間更長一些，可以實現輔助開關管在ZCS下關斷，但輔助開關管的峰值電流將較大。

圖7? 普 通 的ZCT- PWM變 換 器

3.2? 改進拓撲之一

??? 文獻[9]提出了一種改進的ZCT-PWM變換器。該改進的拓撲只是將諧振網絡的輔助開關管S_a和嵌位二極管D_c交換位置，能實現所有的開關管在ZCS下通斷，并減小了S_a的峰值電流。但它的整流二極管D仍存在嚴重的反向恢復問題。

3.3? 改進拓撲之二

??? 文獻[10]介紹了一種新穎的ZCT-PWM變換器，它 很 好 地 解 決 了 以 上 所 提 到 的 各 項 缺 點 ， 如 圖8所 示 。 與 圖 7的 普 通ZCT-PWM變 換 器 相 比 ， 該 改 進 的 拓 撲 在 元 器 件 數 量 方 面 沒 有 增 減 ， 只 是 改 變 了 組 合 方 式 ， 但 同 時 實 現 了 主 開 關 管 S和 輔 助 開 關 管S_a的 軟 通 斷 ， 并 解 決 了 輸 出 整 流 二 極 管 D嚴 重 的 反 向 恢 復 問 題 。 以 下 對 其 工 作 過 程 進 行 分 析 。

圖8? 改進的ZCT-PWM變換器

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態(tài)為：S及S_a均為關斷狀態(tài)，D處于導通狀態(tài)。i_D=i_Lr=I_i，v_Cr=V_o，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關周期可劃分為8個模態(tài)，相應的主要波形如圖9所示。

圖 9? 工 作 波 形 圖

??? 模態(tài)1(t₀－t₁)??? 在t₀時刻，S開通，i_Lr，i_D線性下降，直到i_D=i_Lr=0，D關斷，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)2(t₁－t₂)??? 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態(tài)；

??? 模態(tài)3(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，S_a開通，C_r，L_r開始諧振，經過半個諧振周期，v_Cr=－V_o；

??? 模態(tài)4(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，D_a導通，S_a關斷，C_r，L_r繼續(xù)諧振，i_Lr反向增大，直到i_Lr=I_i，is=0，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)5(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，主開關管S的反向二極管導通；

??? 模態(tài)6(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，主開關管S關斷；

??? 模態(tài)7(t₆－t₇)??? 在t₆時刻，恒流源I_i給C_r充電，直到v_Cr=V_o，D導通，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)8(t₇－t₈)??? 該模態(tài)類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態(tài)，直到t₈時刻，一個開關周期結束。

??? 可見，該拓撲實現了所有開關管和輸出整流二極管D都在較小的di/dt下軟開通，在ZCS下關斷，而且在主開關管S上沒有附加的電流應力和導通損耗，大大減小了輸出整流二極管的反向恢復電流。

4? ZCZVT-PWM變換器

??? 近些年，一些電力電子研究中心的工程師們正盡力尋求一種最優(yōu)化的軟開關技術，即用盡量少的輔助元器件，實現功率半導體器件同時在零電壓和零電流下轉換，綜合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點，進一步完善零轉換條件。文獻[11]所介紹一種新穎的ZCZVT-PWM變換器，就能實現主開關管同時在零電壓和零電流下轉換，如圖10所示。以下對其工作過程進行分析。

圖10? ZCZVT-PWM變 換 器

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態(tài)為：主功率開關管S及輔助開關管S_a均為關斷狀態(tài)，輸出整流二極管D處于導通狀態(tài)，v_CR2=V_o，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關周期可劃分為13個模態(tài)，相應的主要波形如圖11所示。

圖 11? 工 作 過 程 波 形 圖

??? 模態(tài)1(t₁－t₂)??? 在t₁時刻，S_a開通，C_R1，L_R諧振，i_LR，v_CR1均增加，直到v_CR1=V_i，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D_a2導通，i_LR繼續(xù)增加，直到i_LR=I_i，此時D自然關斷；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? C_R2，L_R諧振，v_CR2減小，i_LR繼續(xù)增加，直到v_CR2=0；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，D_s導通，L_R釋放能量，i_LR減小，直到i_LR=I_i，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)5(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，S導通，當L_R完全釋放能量時，i_LR=0，i_s=I_i，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)6(t₆－t₇)??? C_R1，L_R通過S和D_a1開始半周期諧振，此時關斷S_a；

??? 模態(tài)7(t₇－t₈)??? 該階段與普通Boost PWM變換器的開通狀態(tài)一樣；

??? 模態(tài)8(t₈－t₉)??? 在t₈時刻，S_a開通，C_R1，L_R諧振，i_LR增加，i_s下降，直到i_LR=I_i，i_s=0；

??? 模態(tài)9(t₉－t₁₀)??? 在t₉時刻，Ds導通，S關斷，當i_LR再次達到I_i，D_s關斷,該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)10(t₁₀－t₁₁)??? 在t₁₀時刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，直到u_CR1=V_i，D_a2導通；

??? 模態(tài)11(t₁₁－t₁₂)??? 在t₁₁時刻，C_R2，L_R繼續(xù)諧振，直到i_LR=0，D_a1開通，D_a2關斷；

??? 模態(tài)12(t₁₂－t₁₃)??? 在t₁₂時刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，當i_LR再次達到i_LR=0時，D_a1關斷，此時關斷Sa，該模態(tài)結束；

??? 模態(tài)13(t₁₃－t₁₄)??? 輸入電流I_i給C_R2充電，v_C2線性增加到V_o，此時D導通，進入下一個周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了主開關管S同時在零電壓和零電流條件下開通和關斷，輔助開關管Sa在零電流條件下開通，零電壓和零電流條件下關斷，輸出整流二極管D在零電壓下轉換，從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點，又克服了它們各自的缺點，大大減小了開關損耗。

5? 結語

??? 零轉換PWMDC/DC變換器是低電壓（電流）應力、高效率的變換器，但傳統(tǒng)的零轉換PWMDC/DC變換器仍存在一些問題。為了解決這些問題，人們提出了許多新的改進拓撲。本文對三種改進的ZVT-PWM變換器、一種改進的ZCT-PWM，以及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細介紹和分析。這幾個改進的拓撲都實現了所有開關管的軟通斷，進一步減小了開關損耗，效率大為提高，很值得進一步研究和完善。