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(shí)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(jià)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(fù)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(cuò)工作時(shí)，對(duì)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(dòng)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(dòng)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?yàn)橐粋€(gè)n相的ZVT變換器需要n個(gè)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(gè)有源開關(guān)的輔助電路通過n個(gè)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(shí)的仿真結(jié)果和諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)。
2 工作原理
兩相Boost ZVT PWM變換器如圖1（c）所示。
在進(jìn)行討論之前，作如下幾點(diǎn)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(gè)開關(guān)周期中，電壓源Vin及輸入濾波電感Lf1，Lf2可用一恒 值 電 流 源Iin1，Iin2代 替 ；
— —輸 出 濾 波 電 容 足 夠 大 ， 故 在 一 個(gè) 開 關(guān) 周 期 中 ，Cf，R1可 用 一 恒 值 電 壓 源Vo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(shí)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Sr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)。vc1(t0)=Vo，iLr(t0)=0，vc2(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(gè)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(shí) 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(shí) 的 半 個(gè) 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(duì)應(yīng)于圖3（a），在t0時(shí)刻Sr導(dǎo)通，諧振電感Lr中的電流從0開始線性上升，其上升斜率為diLr/dt=vo/Lr，升壓二極管D1的電流開始減小。在t1時(shí)刻通過電感Lr的電流上升到Iin1，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(shí)間為：t01=LrIin1/Vo。
2）模態(tài)2[t1－t2] 對(duì)應(yīng)于圖3（b），在t1時(shí)刻升壓二極管D1關(guān)斷，Lr與C1開始諧振。電感Lr中的電流繼續(xù)上升，而電容C1開始放電。iLr和vC1分別為
iLr(t)=Iin1＋
sinωr(t－t1)vC1=Vocosωr(t－t1)
式中：ωr=
；
zr=
；
Cr=C1=C2。
在t2時(shí)刻C1的電壓下降到0，電感Lr1中的電流為iLr(t2)=Iin1＋Vo/Zr，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為：t12=
。
3）模態(tài)3[t2－t3] 對(duì)應(yīng)于圖3（c），在t2時(shí)刻如果Vo/Zr<Iin2時(shí)，電感Lr中的電流一部分流過Iin1和Dr1續(xù)流，另外一部分流過Iin2和Dr2續(xù)流，則通過主開關(guān)管S2中的電流小于Iin2。反之，電感Lr中的電流一部分流過Iin1和Dr1續(xù)流，另外一部分流過S1和S2的反并二極管Ds1和Ds2續(xù)流，is2出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)開通S1就是零電壓開通。S1的開通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Sr開通，滯后時(shí)間為
td>t01＋t12=
＋
。
4）模態(tài)4[t3－t4] 對(duì)應(yīng)于圖3（d），在t3時(shí)刻Sr關(guān)斷，iLr線性減小。在t4時(shí)刻iLr線性減小到Iin1時(shí)，模態(tài)4結(jié)束。
5）模態(tài)5[t4－t5] 對(duì)應(yīng)于圖3（e），在該模態(tài)中iLr繼續(xù)線性減小，S1中的電流線性上升。在t5時(shí)刻S1中的的電流上升到Iin1，Lr中的電流減小到0，模態(tài)5結(jié)束。
6）模態(tài)6[t5－t6] 對(duì)應(yīng)于圖3（f），在該模態(tài)中S1和S2同時(shí)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(duì)應(yīng)于圖3（g），在t6時(shí)刻，主開關(guān)管S2關(guān)斷，輸入電流Iin2給電容C2恒流充電，C2的電壓從零開始線性上升，vC2=
(t－t8)。所以S2是零電壓關(guān)斷。在t9時(shí)刻C2的電壓達(dá)到Vo，模態(tài)7結(jié)束。
8）模態(tài)8[t7－t8] 對(duì)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(shí)刻輔助開關(guān)管Sr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(gè)周期。
2.2 D≤0.5時(shí)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Sr均為關(guān)斷狀態(tài)，升壓二極管D1，D2處于導(dǎo)通狀態(tài)。vc1(t0)=vc2(t0)=Vo，iLr(t0)=0。
當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，每半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有十個(gè)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(shí) 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(shí) 的 各 開 關(guān) 模 態(tài) 的 等 效 電 路
1）模態(tài)1[t0－t1] 對(duì)應(yīng)于圖5（a），在t0時(shí)刻Sr導(dǎo)通，諧振電感Lr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(shí)刻電感Lr的電流上升到Iin1＋Iin2，升壓二極管D1及D2的電流同時(shí)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(duì)應(yīng)于圖5（b），在t1時(shí)刻升壓二極管D1及D2關(guān)斷，Lr，C1及C2開始諧振。電感Lr中的電流繼續(xù)上升，而電容C1及C2開始放電。iLr和vC1（vC2）分別為
iLr(t)=Iin1＋Iin2＋
sinωrr(t－t1)
vC1(t)=Vocosωrr(t－t1)
式中：ωrr=
；
Zrr=
；
Cr=C1=C2。
在t2時(shí)刻C1及C2的電壓同時(shí)下降到0，電感Lr1中的電流為iLr(t2)=Iin1＋Iin2＋
，模態(tài)2結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為t12=
。值得注意的是：當(dāng)D≤0.5時(shí)，諧振電路的特征阻抗為D>0.5時(shí)的
。相應(yīng)地，諧振電感的初始電流是D>0.5時(shí)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(shí)的2倍。
3）模態(tài)3[t2－t3] 對(duì)應(yīng)于圖5（c），在t2時(shí)刻Ds1及Ds2同時(shí)導(dǎo)通，電感Lr中的電流一部分流過Iin1和Iin2續(xù)流，另一部分流過Ds1和Ds2續(xù)流，此時(shí)開通S1就是零電壓開通。S1的開通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Sr開通時(shí)刻。
4）模態(tài)4[t3－t4] 對(duì)應(yīng)于圖5（d），在t3時(shí)刻Sr關(guān)斷，iLr線性減小，在t4時(shí)刻iLr減小到Iin1＋Iin2時(shí)，Ds1及Ds2同時(shí)關(guān)斷，模態(tài)4結(jié)束。
5）模態(tài)5[t4－t5] 對(duì)應(yīng)于圖5（e），在該模態(tài)中iLr繼續(xù)線性減小，S1中的電流線性上升。在t5時(shí)刻S1中的的電流上升到Iin1，Lr中的電流減小到Iin2，模態(tài)5結(jié)束。
6）模態(tài)6[t5－t6] 對(duì)應(yīng)于圖5（f），在t5時(shí)刻Ds1關(guān)斷，Lr和C2開始諧振，電感Lr中的電流繼續(xù)減小，而電容C2開始充電。iLr和vC2分別為
iLr(t)=Iin2－
sinωr(t－t5)
vC2(t)=Vo(1－cosωr(t－t5))
式中：ωr=
；
Zr=
；
Cr=C1=C2。
假如Iin2<
，在t6時(shí)刻iLr減小到零，模態(tài)6結(jié)束。
7）模態(tài)7[t6－t7] 對(duì)應(yīng)于圖5（g），在t6時(shí)刻輸入電流Iin2給電容C2恒流充電到Vo。在t7時(shí)刻，C2的電壓達(dá)到Vo，D2導(dǎo)通，模態(tài)7結(jié)束。
8）模態(tài)8[t7－t8] 對(duì)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(shí)刻，S1關(guān)斷，模態(tài)8結(jié)束。
9）模態(tài)9[t8－t9] 對(duì)應(yīng)于圖5（i），在t8時(shí)刻關(guān)斷S1，輸入電流Iin1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(shí)刻C1的電壓達(dá)到Vo，此時(shí)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(duì)應(yīng)于圖5（j），在該模態(tài)中D1和D2導(dǎo)通工作。在t10時(shí)刻，輔助開關(guān)管Sr再次導(dǎo)通，開始另一半個(gè)開關(guān)周期的工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。
3 電路的基本特點(diǎn)
對(duì)于兩相Boost ZVT PWM變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式而言，當(dāng)一個(gè)主二極管導(dǎo)通時(shí)，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(yùn)行，當(dāng)輔助電路開始工作時(shí)，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(shí)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(gè)有源輔助開關(guān)就實(shí)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(jì)
對(duì)于D>0.5的情況，根據(jù)上述原理分析知，要實(shí)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(hào)。為了保證ZVT開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，S1的開通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Sr開通時(shí)刻，滯后時(shí)間td必須滿足
td>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(jì)
C1是用來使S1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷的，C1的大小應(yīng)使得vDS(S1)即vC1上升速度不要太快。一般可選擇在最大負(fù)載時(shí)，vC1從0上升到Vo的時(shí)間為（2～3）toff，toff為S1的關(guān)斷時(shí)間。則
C1=
(2～3)toff （2）
同樣，可以求取C2。
4.2 Lr的設(shè)計(jì)
輔助電路只是在主開關(guān)管S1和S2開通的一小段時(shí)間工作，其它時(shí)間停止工作。為了不影響主電路的工作時(shí)間，輔助電路的時(shí)間不能工作太長，一般可選擇為開關(guān)周期Ts的1/10，即t01＋t12<
，也就是
＋
≤
（3）
由式（3）可以求出Lr的大小。
5 仿真結(jié)果與分析
為驗(yàn)證兩相Boost ZVT PWM變換器理論分析的正確性，對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真分析。仿真參數(shù)如下：輸入電壓Vin=DC 150V；輸出電壓Vo=DC400V；開關(guān)頻率fs=100kHz；升壓電感Lf1=Lf2=450μH；濾波電容Cf=470μF；輸出電流Io=2A。由式（2）及式（3）得C1=C2=1.8nF，Lr=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(dòng)信號(hào)vGS1和vGS2。圖6（b）為輔助開關(guān)管Sr的驅(qū)動(dòng)信號(hào)vGSr。圖6（c）為諧振電感電流iLr和輸入電流iin1和iin2的波形，從圖中可以看出輔助電路工作時(shí)間很短，只是在主開關(guān)管開通時(shí)工作一段時(shí)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(fù)，這是因?yàn)椋?img alt="" height="24" src="http://files.chinaaet.com/images/20110321/6284dba2-6f9f-49de-9086-c828229f1d97.jpg" style="zoom: 1" width="11" />=
≈4.9>4，即
>Iin2max(Iin1max)，所以，電感Lr中的電流一部分流過Iin1和Dr1續(xù)流，另外一部分流過S1和S2的反并二極管Ds1及Ds2續(xù)流，圖6(e)為輸出電壓波形，電壓值略大于理論值。
(a) vgs1,vgs2波形
(b) vgsr波 形
(c) iLr，iin1和iin2波 形
(d) is1，is2波 形
(e) Vo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(gè)有源輔助開關(guān)就實(shí)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?fù)浜唵?、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(shí)的諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。