一族新颖的ZCS-PWM变换器的研究

1、一族新颖的ZCS-PWM变换器的研究        摘要：分析了一个新的零电流开关（ZCS）单元电路的特性。基于这个ZCS的单元电路，构建了一个新的ZCS的Boost电路，并对他们的工作机理进行了分析，而且在这个ZCS单元电路的基础上构建出更多的ZCS变换器。实验和仿真结果验证了理论分析。 关键词：单元电路；零电流开关；升压电路；变换器 0    引言 在中功率开关变换器中，为了提高功率密度，通常都采用提高开关频率的方式。但是随着频率的提高，开关损耗也增加，因此必须采用软开关技术来降低

2、开关损耗。准谐振变流器可以工作在高开关频率和软开关状态下。但是，这一类零电流开关谐振技术也受到大电流、高电压或者频率调制的影响。可以在谐振电路中增加辅助开关和辅助的无源元件,实现恒频控制，降低电流和电流应力。但是，这一类电路的主要缺点就是主开关的电流应力比较高，导通损耗较大。本文提出一种新的ZCS-PWM单元电路。通过将谐振回路按照不同的方向分开，从而强制谐振电流不在所有的开关器件中流通，以降低电流应力。 1    新型ZCS-PWM工作机理分析 图1所示为传统的ZCS-PWM变换器的基本单元及其对应的ZCS-PWM Boost变换器。为了降低主开关管的电流应力，

3、如图2所示，在传统单元电路的基础上，增加了辅助二极管DS1和DS2，在一个谐振周期中，谐振回路被分开了。只有半个周期的谐振电流流过每个开关管，因此减轻了S1和S2的电流应力。图3是在图2所示单元的基础上构建的ZCS-PWM Boost变换器。图4所示为图3所示Boost电路的主要仿真波形。图5所示为该电路在一个工作周期中的各个工作状态。变换器在一个开关周期内的各个工作模态分析如下。  图1    传统ZCS-PWM电路和Boost变换器 图2    改进后的ZCS-PWM单元电路 图3    基

4、于新单元电路的ZCSPWM Boost变换器  图4    图3中所示电路的电流电压仿真波形  (a)模式1（t0前）    (b)模式2（t0t1）    (c)模式3（t1t2）    (d)模式4（t2t3）  (e)模式5（t3t4）    (f)模式6（t4t5）    (g)模式7（t5t6） 图5    电路在一个开关周期的各种工作模式 1）0

5、t0主开关S1断开，D1导通，输入电压Vin经输入电感L1向负载传递能量。 2）t0t1S1导通，电流由D1转向S1，S1电流以V0/Lr的速度增长。因为Lr存在，S1是零电流开通。 3）t1t2S1、D1电流转换结束，L1由Vin充电储能。 4)t2t3在t2时刻，辅助开关S2导通，由Cr和Lr构成谐振电路，当谐振进行到1/2周期时，Cr上的电压等于Vin，流经S2中的电流iS2为0。因为DS2的存在,S2为零电流关断。 5）t3t4在下半个谐振周期开始时，谐振电流流经S1和DS1，流经S1的电流iS1开始减小。 6)t4t5当流经DS1的谐振电流大于Iin时，S1的体二极管导通，S1实现零

6、电流关断。 7）t5t6当谐振电流减小至Iin时，S1的体二极管关断，L1以恒流Iin对Cr进行充电，当Cr上的电压达到VinV0时，DS1关断。 之后，又开始下一个周期的工作。 2    新的ZCS-PWM Boost变换器族 基于前面提出的ZCS-PWM单元电路和Boost变换器，按照单元电路在Boost电路中不同的位置构建不同ZCS-PWM Boost变流器。图6所示的Boost电路就是由图3所示的Boost电路衍生出的一族ZCS-PWM Boost电路。图6中所示的单元电路的工作机理同样也可以用上述方法进行分析。通过分析可以看出，这4个结构的工作步骤与图3

7、类似，通过在Boost电路上增加新型的辅助电路，在一个谐振周期中，把谐振回路分成两个部分，这样流过每个开关管的谐振电流只有半个周期，因此减轻了S1和S2的电流应力，同时也减小了整个电路的损耗。因为这些电路都是基于Boost电路进行构架，而且仅仅在结构上有所不同，电路整个周期的工作原理相同，于是把这5个电路归纳为同一族ZCS-PWM Boost电路。  (a)衍生电路之1                (b）衍生电路之2  (c

8、)衍生电路之3                (d）衍生电路之4 图6    带有一个电感的ZCS-PWM boost转换器 3    实验结果 为了验证理论分析，进行了实验。按照图3中提出的Boost变换器，构建了一台1kW的DC/DC样机。输入为DC 90150V，输出为DC 375V，开关频率为95kHz。如图7所示，在输入电压为90V时所测得的电流波形与图4的仿真波形相吻合。图7

9、中所示的流经开关的电流波形和整流二极管的电压波形，与驱动信号相吻合。样机的效率如图8所示。为了说明新的变换器的优点，与传统的ZCS-PWM变换器（图1）进行了比较。  (a)vgs2与igs2波形                （b)vgs1与igs1波形                （

10、c)iD1与vD1波形 图7    实验波形  图8    当输入为150V时传统电路和改进电路的效率 表1为主要器件的参数，在满负载情况下，改进型ZCS电路的效率提高了1.5。表1为电路中所使用的器件列表。 表1    电路中的主要元器件 改进电路 传统电路 S1 IRG4PC50 S2 IRG4PC40 Lr 14H Cr 22nF DS1 MUR860 / DS2 MUR860 / D1 2×MUR860 seriesconnection 4    结语 本文介绍了一族新型的ZCSPWM单元电路。此