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(shí)的諧振元件參數(shù)的設(shè)計(jì)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(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(chǎng)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(jiǎn)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(gè) 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(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(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