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，ZCZVTPWM

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；ZVSPWM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?。?/p>

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_rL_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。