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，ZCZVT?PWM

1? 引言

??? 為了減小功率變換器的體積、重量和開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率和工作效率，在DC/DC變換器中常采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓（零電流）開(kāi)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；ZVS?PWM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(kāi)關(guān)管并聯(lián)；在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振，獲得零開(kāi)關(guān)條件；在開(kāi)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(lái)了4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

??? 1)功率開(kāi)關(guān)器件工作在軟開(kāi)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)通損耗較小；

??? 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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)通，S₁處于一種非常不好的硬開(kāi)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(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，減少了開(kāi)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?

??? 圖2所示為文獻(xiàn)[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)洹Ｅc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(kāi)關(guān)管S₁和輔助開(kāi)關(guān)管S₂的軟通斷，以下對(duì)其工作過(guò)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_r<<L_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(kāi)關(guān)周期的工作過(guò)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(guò) 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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期。

??? 可見(jiàn)，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(kāi)關(guān)管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬通斷的缺點(diǎn)，減少了關(guān)斷損耗。

2.3? 改進(jìn)拓?fù)渲?

??? 圖4所示為文獻(xiàn)[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)洹Ｅc圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)電容，少了一個(gè)二極管。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。

圖4? 改 進(jìn) 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(shè)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(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為7個(gè)模態(tài)，相應(yīng)的主要波形如圖5所示。

圖5? 工 作 過(guò) 程 波 形

??? 模態(tài)1(t₁－t₂)??? 在t₁時(shí)刻，S₂開(kāi)通，L_r，C_r開(kāi)始諧振，i_Lr諧振上升，直到i_Lr=I_i，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時(shí)刻，D₁自然關(guān)斷，C_f，C_r，L_r與輸出負(fù)載R_L構(gòu)成諧振回路，直到C_f放電到0，轉(zhuǎn)到模態(tài)3；

??? 模態(tài)3(t₃－t₄)??? 在t₃時(shí)刻，C_r，L_r通過(guò)D_s1，S₂和R_L構(gòu)成諧振回路，使L_r中的電流繼續(xù)減小；

??? 模態(tài)4(t₄－t₅)??? 在t₄時(shí)刻，i_Lr=I_i，S₁導(dǎo)通，D_s1關(guān)斷，此階段中，L_r，C_r通過(guò)S₂，S₁和R_L構(gòu)成諧振回路，使Lr中的電流繼續(xù)減小；

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

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

??? 模態(tài)7(t₈－t₉)??? 在t₈時(shí)刻，S₁關(guān)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(guān)斷狀態(tài)，直到進(jìn)入下一周期。

??? 可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了S₁在ZVS條件下通斷，S₂在零電壓、零電流的條件下關(guān)斷與開(kāi)通，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是軟通斷，改善了開(kāi)關(guān)環(huán)境，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，減小了關(guān)斷損耗。

2.4? 改進(jìn)拓?fù)渲?

??? 圖6所示為文獻(xiàn)[7]提出的另一種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)洹Ｅc圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)電感、一個(gè)二極管和一個(gè)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(xiàn)[7]。從中可知，主開(kāi)關(guān)管S₁在零電壓下開(kāi)通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管S₂在零電流下開(kāi)通和關(guān)斷，從而也克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，減小了開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)開(kāi)關(guān)都是軟開(kāi)關(guān)。

圖 6? 改 進(jìn) 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(shí)現(xiàn)在ZVS下開(kāi)通，消除導(dǎo)通損耗，但卻不能有效地減小關(guān)斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8]，如圖7所示，則能實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)在ZCS下關(guān)斷，消除關(guān)斷損耗。然而，其輔助開(kāi)關(guān)仍然是硬開(kāi)關(guān)，而且，其輸出整流二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題，導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過(guò)改變控制策略，使輔助開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)一些，可以實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)管在ZCS下關(guān)斷，但輔助開(kāi)關(guān)管的峰值電流將較大。

圖7? 普 通 的ZCT- PWM變 換 器

3.2? 改進(jìn)拓?fù)渲?

??? 文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器。該改進(jìn)的拓?fù)渲皇菍⒅C振網(wǎng)絡(luò)的輔助開(kāi)關(guān)管S_a和嵌位二極管D_c交換位置，能實(shí)現(xiàn)所有的開(kāi)關(guān)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(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題。

3.3? 改進(jìn)拓?fù)渲?

??? 文獻(xiàn)[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(xiàng) 缺 點(diǎn) ， 如 圖8所 示 。 與 圖 7的 普 通ZCT-PWM變 換 器 相 比 ， 該 改 進(jìn) 的 拓 撲 在 元 器 件 數(shù) 量 方 面 沒(méi) 有 增 減 ， 只 是 改 變 了 組 合 方 式 ， 但 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 了 主 開(kāi) 關(guān) 管 S和 輔 助 開(kāi) 關(guān) 管S_a的 軟 通 斷 ， 并 解 決 了 輸 出 整 流 二 極 管 D嚴(yán) 重 的 反 向 恢 復(fù) 問(wèn) 題 。 以 下 對(duì) 其 工 作 過(guò) 程 進(jìn) 行 分 析 。

圖8? 改進(jìn)的ZCT-PWM變換器

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：S及S_a均為關(guān)斷狀態(tài)，D處于導(dǎo)通狀態(tài)。i_D=i_Lr=I_i，v_Cr=V_o，則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為8個(gè)模態(tài)，相應(yīng)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(shí)刻，S開(kāi)通，i_Lr，i_D線性下降，直到i_D=i_Lr=0，D關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束；

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

??? 模態(tài)3(t₂－t₃)??? 在t₂時(shí)刻，S_a開(kāi)通，C_r，L_r開(kāi)始諧振，經(jīng)過(guò)半個(gè)諧振周期，v_Cr=－V_o；

??? 模態(tài)4(t₃－t₄)??? 在t₃時(shí)刻，D_a導(dǎo)通，S_a關(guān)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(jié)束；

??? 模態(tài)5(t₄－t₅)??? 在t₄時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管S的反向二極管導(dǎo)通；

??? 模態(tài)6(t₅－t₆)??? 在t₅時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷；

??? 模態(tài)7(t₆－t₇)??? 在t₆時(shí)刻，恒流源I_i給C_r充電，直到v_Cr=V_o，D導(dǎo)通，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)8(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，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束。

??? 可見(jiàn)，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管D都在較小的di/dt下軟開(kāi)通，在ZCS下關(guān)斷，而且在主開(kāi)關(guān)管S上沒(méi)有附加的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗，大大減小了輸出整流二極管的反向恢復(fù)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(kāi)關(guān)技術(shù)，即用盡量少的輔助元器件，實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，綜合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善零轉(zhuǎn)換條件。文獻(xiàn)[11]所介紹一種新穎的ZCZVT-PWM變換器，就能實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，如圖10所示。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)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(shè)初始狀態(tài)為：主功率開(kāi)關(guān)管S及輔助開(kāi)關(guān)管S_a均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，v_CR2=V_o，則電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可劃分為13個(gè)模態(tài)，相應(yīng)的主要波形如圖11所示。

圖 11? 工 作 過(guò) 程 波 形 圖

??? 模態(tài)1(t₁－t₂)??? 在t₁時(shí)刻，S_a開(kāi)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(jié)束；

??? 模態(tài)2(t₂－t₃)??? 在t₂時(shí)刻，D_a2導(dǎo)通，i_LR繼續(xù)增加，直到i_LR=I_i，此時(shí)D自然關(guān)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(shí)刻，D_s導(dǎo)通，L_R釋放能量，i_LR減小，直到i_LR=I_i，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)5(t₅－t₆)??? 在t₅時(shí)刻，S導(dǎo)通，當(dāng)L_R完全釋放能量時(shí)，i_LR=0，i_s=I_i，該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)6(t₆－t₇)??? C_R1，L_R通過(guò)S和D_a1開(kāi)始半周期諧振，此時(shí)關(guān)斷S_a；

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

??? 模態(tài)8(t₈－t₉)??? 在t₈時(shí)刻，S_a開(kāi)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(shí)刻，Ds導(dǎo)通，S關(guān)斷，當(dāng)i_LR再次達(dá)到I_i，D_s關(guān)斷,該模態(tài)結(jié)束；

??? 模態(tài)10(t₁₀－t₁₁)??? 在t₁₀時(shí)刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，直到u_CR1=V_i，D_a2導(dǎo)通；

??? 模態(tài)11(t₁₁－t₁₂)??? 在t₁₁時(shí)刻，C_R2，L_R繼續(xù)諧振，直到i_LR=0，D_a1開(kāi)通，D_a2關(guān)斷；

??? 模態(tài)12(t₁₂－t₁₃)??? 在t₁₂時(shí)刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，當(dāng)i_LR再次達(dá)到i_LR=0時(shí)，D_a1關(guān)斷，此時(shí)關(guān)斷Sa，該模態(tài)結(jié)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(shí)D導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)周期。

??? 可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管S同時(shí)在零電壓和零電流條件下開(kāi)通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管Sa在零電流條件下開(kāi)通，零電壓和零電流條件下關(guān)斷，輸出整流二極管D在零電壓下轉(zhuǎn)換，從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們各自的缺點(diǎn)，大大減小了開(kāi)關(guān)損耗。

5? 結(jié)語(yǔ)

??? 零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器是低電壓（電流）應(yīng)力、高效率的變換器，但傳統(tǒng)的零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換器仍存在一些問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了許多新的改進(jìn)拓?fù)洹１疚膶?duì)三種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器、一種改進(jìn)的ZCT-PWM，以及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細(xì)介紹和分析。這幾個(gè)改進(jìn)的拓?fù)涠紝?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管的軟通斷，進(jìn)一步減小了開(kāi)關(guān)損耗，效率大為提高，很值得進(jìn)一步研究和完善。