新型兩相零電壓轉換PWM變換器的研究??

摘要：把零電壓轉換技術和多相變換技術相結合就可獲得一簇新型多相零電壓轉換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時的諧振元件參數的設計和仿真結果。

關鍵詞：零電壓轉換；多相變換器；高功率密度

?

1??? 概述

??? 通過提高開關頻率可獲得高性能和高功率密度功率變換器，但傳統的硬開關PWM變換器工作在高頻時開關損耗很大。因此，硬開關PWM變換器的應用具有局限性。為此，人們提出了用軟開關技術來減小開關損耗，大多數軟開關變換器是以大幅度地增加開關器件的電壓或電流應力為代價來降低開關損耗的，這導致開關器件的導通損耗顯著增加。在零轉換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以最小的電壓和電流應力為主開關管提供零電壓開關，這使得ZVTPWM變換器在中大功率場合得到廣泛應用。

??? 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。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性能。如果將ZVT和多相變換技術結合起來，就可以得到更好的動態性能和更高功率密度的功率變換器。簡單地將多相技術和ZVT變換器結合起來的ZVT多相變換器是非常復雜的。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的輔助電路通過n個二極管交替地為所有相的主開關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時的仿真結果和諧振元件參數的設計。

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：

??? ——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 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

??? 設初始狀態為主功率開關管S₁及輔助開關管S_r均為關斷狀態，主功率開關管S₂和升壓二極管D₁處于導通狀態。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態波形圖，圖3為該變換器在半個開關周期中的不同開關狀態下的等效電路。各開關狀態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 態 波 形

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

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

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

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

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

??? 1）模態1[t₀－t₁]??? 對應于圖3（a），在t₀時刻S_r導通，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自然關斷，模態1結束。該模態持續的時間為：t₀₁=L_rI_in1/V_o。

??? 2）模態2[t₁－t₂]??? 對應于圖3（b），在t₁時刻升壓二極管D₁關斷，L_r與C₁開始諧振。電感L_r中的電流繼續上升，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2結束。該模態持續的時間為：t₁₂=。

??? 3）模態3[t₂－t₃]??? 對應于圖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續流，另外一部分流過I_in2和D_r2續流，則通過主開關管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續流，另外一部分流過S₁和S₂的反并二極管D_s1和D_s2續流，i_s2出現負值，此時開通S₁就是零電壓開通。S₁的開通時刻應該滯后于S_r開通，滯后時間為

??? t_d>t₀₁＋t₁₂=＋。

??? 4）模態4[t₃－t₄]??? 對應于圖3（d），在t₃時刻S_r關斷，i_Lr線性減小。在t₄時刻i_Lr線性減小到I_in1時，模態4結束。

??? 5）模態5[t₄－t₅]??? 對應于圖3（e），在該模態中i_Lr繼續線性減小，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5結束。

??? 6）模態6[t₅－t₆]??? 對應于圖3（f），在該模態中S₁和S₂同時導通工作，直到主開關管S₂關斷，模態6結束。

??? 7）模態7[t₆－t₇]??? 對應于圖3（g），在t₆時刻，主開關管S₂關斷，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是零電壓關斷。在t₉時刻C₂的電壓達到V_o，模態7結束。

??? 8）模態8[t₇－t₈]??? 對應于圖3（h），在該模態中主功率開關管S₁和升壓二極管D₂處于導通狀態，主功率開關管S₂和升壓二極管D₁均為關斷狀態，在t₈時刻輔助開關管S_r再次導通，開始另一半開關周期的工作，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

??? 設初始狀態為主功率開關管S₁和S₂及輔助開關管S_r均為關斷狀態，升壓二極管D₁，D₂處于導通狀態。v_c1(t₀)=v_c2(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0。

??? 當占空比小于0.5時，每半個開關周期內有十個開關模態。圖4為各主要變量的理論穩態波形圖，圖5為各開關模態的等效電路。各開關狀態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 態 波 形

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

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

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

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

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

圖 5??? D≤0.5時 的 各 開 關 模 態 的 等 效 電 路

??? 1）模態1[t₀－t₁]??? 對應于圖5（a），在t₀時刻S_r導通，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自然關斷，模態1結束。

??? 2）模態2[t₁－t₂]??? 對應于圖5（b），在t₁時刻升壓二極管D₁及D₂關斷，L_r，C₁及C₂開始諧振。電感L_r中的電流繼續上升，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2結束。該模態持續的時間為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3[t₂－t₃]??? 對應于圖5（c），在t₂時刻D_s1及D_s2同時導通，電感L_r中的電流一部分流過I_in1和I_in2續流，另一部分流過D_s1和D_s2續流，此時開通S₁就是零電壓開通。S₁的開通時刻應該滯后于S_r開通時刻。

??? 4）模態4[t₃－t₄]??? 對應于圖5（d），在t₃時刻S_r關斷，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同時關斷，模態4結束。

??? 5）模態5[t₄－t₅]??? 對應于圖5（e），在該模態中i_Lr繼續線性減小，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5結束。

??? 6）模態6[t₅－t₆]??? 對應于圖5（f），在t₅時刻D_s1關斷，L_r和C₂開始諧振，電感L_r中的電流繼續減小，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6結束。

??? 7）模態7[t₆－t₇]??? 對應于圖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導通，模態7結束。

??? 8）模態8[t₇－t₈]??? 對應于圖5（h），在該模態中主功率開關管S₁和升壓二極管D₂導通工作，在t₈時刻，S₁關斷，模態8結束。

??? 9）模態9[t₈－t₉]??? 對應于圖5（i），在t₈時刻關斷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是零電壓關斷。在t₉時刻C₁的電壓達到V_o，此時升壓二極管D₁自然導通，模態9結束。

??? 10）模態10[t₉－t₁₀]??? 對應于圖5（j），在該模態中D₁和D₂導通工作。在t₁₀時刻，輔助開關管S_r再次導通，開始另一半個開關周期的工作，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變換器工作在連續導電模式而言，當一個主二極管導通時，輔助電路開始工作，為相應的主開關管提供零電壓開通和相應的二極管提供零電流關斷。為了使輔助電路高效運行，當輔助電路開始工作時，某一相的有源開關應該處于導通狀態。換句話說，占空比D應大于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就實現了兩相主開關管和二極管的零電壓開通和零電流關斷，并且主開關管和升壓二極管中的電壓、電流應力與不加輔助電路一樣。

4??? 諧振元件參數的設計

??? 對于D>0.5的情況，根據上述原理分析知，要實現S₁的零電壓開通，必須在S₁的反并二極管導通之后才能給S₁加柵極信號。為了保證ZVT開關的實現，S₁的開通時刻應該滯后于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的設計

??? C₁是用來使S₁實現零電壓關斷的，C₁的大小應使得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的關斷時間。則

??? C₁=(2～3)t_off??? （2）

同樣，可以求取C₂。

4.2??? L_r的設計

??? 輔助電路只是在主開關管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。仿真參數如下：輸入電壓V_in=DC 150V；輸出電壓V_o=DC400V；開關頻率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變換器的仿真結果如圖6所示。圖6（a）為主開關管S₁及S₂的驅動信號v_GS1和v_GS2。圖6（b）為輔助開關管S_r的驅動信號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）為流過主開關管S₁及S₂的電流波形，從圖中可以看出，在續流階段電流為負，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續流，另外一部分流過S₁和S₂的反并二極管D_s1及D_s2續流，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??? 結語

??? 將零電壓轉換技術和多相變換技術相結合就可獲得一簇高性能和高功率密度的多相零電壓轉換PWM變換器，只用一個有源輔助開關就實現了兩相主開關管的零電壓開通和零電壓關斷以及二極管的零電流關斷和零電壓開通，并且主開關管和升壓二極管中的電壓、電流應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時的諧振元件參數的設計和仿真結果。