一族新穎的ZCS-PWM變換器的研究

1、一族新穎的ZCS-PWM變換器的研究        摘要：分析了一個新的零電流開關(guān)（ZCS）單元電路的特性?；谶@個ZCS的單元電路，構(gòu)建了一個新的ZCS的Boost電路，并對他們的工作機理進行了分析，而且在這個ZCS單元電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建出更多的ZCS變換器。實驗和仿真結(jié)果驗證了理論分析。 關(guān)鍵詞：單元電路；零電流開關(guān)；升壓電路；變換器 0    引言 在中功率開關(guān)變換器中，為了提高功率密度，通常都采用提高開關(guān)頻率的方式。但是隨著頻率的提高，開關(guān)損耗也增加，因此必須采用軟開關(guān)技術(shù)來降低

2、開關(guān)損耗。準諧振變流器可以工作在高開關(guān)頻率和軟開關(guān)狀態(tài)下。但是，這一類零電流開關(guān)諧振技術(shù)也受到大電流、高電壓或者頻率調(diào)制的影響?？梢栽谥C振電路中增加輔助開關(guān)和輔助的無源元件,實現(xiàn)恒頻控制，降低電流和電流應(yīng)力。但是，這一類電路的主要缺點就是主開關(guān)的電流應(yīng)力比較高，導(dǎo)通損耗較大。本文提出一種新的ZCS-PWM單元電路。通過將諧振回路按照不同的方向分開，從而強制諧振電流不在所有的開關(guān)器件中流通，以降低電流應(yīng)力。 1    新型ZCS-PWM工作機理分析 圖1所示為傳統(tǒng)的ZCS-PWM變換器的基本單元及其對應(yīng)的ZCS-PWM Boost變換器。為了降低主開關(guān)管的電流應(yīng)力，

3、如圖2所示，在傳統(tǒng)單元電路的基礎(chǔ)上，增加了輔助二極管DS1和DS2，在一個諧振周期中，諧振回路被分開了。只有半個周期的諧振電流流過每個開關(guān)管，因此減輕了S1和S2的電流應(yīng)力。圖3是在圖2所示單元的基礎(chǔ)上構(gòu)建的ZCS-PWM Boost變換器。圖4所示為圖3所示Boost電路的主要仿真波形。圖5所示為該電路在一個工作周期中的各個工作狀態(tài)。變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的各個工作模態(tài)分析如下。  圖1    傳統(tǒng)ZCS-PWM電路和Boost變換器 圖2    改進后的ZCS-PWM單元電路 圖3    基

4、于新單元電路的ZCSPWM Boost變換器  圖4    圖3中所示電路的電流電壓仿真波形  (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） 圖5    電路在一個開關(guān)周期的各種工作模式 1）0

5、t0主開關(guān)S1斷開，D1導(dǎo)通，輸入電壓Vin經(jīng)輸入電感L1向負載傳遞能量。 2）t0t1S1導(dǎo)通，電流由D1轉(zhuǎn)向S1，S1電流以V0/Lr的速度增長。因為Lr存在，S1是零電流開通。 3）t1t2S1、D1電流轉(zhuǎn)換結(jié)束，L1由Vin充電儲能。 4)t2t3在t2時刻，輔助開關(guān)S2導(dǎo)通，由Cr和Lr構(gòu)成諧振電路，當諧振進行到1/2周期時，Cr上的電壓等于Vin，流經(jīng)S2中的電流iS2為0。因為DS2的存在,S2為零電流關(guān)斷。 5）t3t4在下半個諧振周期開始時，諧振電流流經(jīng)S1和DS1，流經(jīng)S1的電流iS1開始減小。 6)t4t5當流經(jīng)DS1的諧振電流大于Iin時，S1的體二極管導(dǎo)通，S1實現(xiàn)零

6、電流關(guān)斷。 7）t5t6當諧振電流減小至Iin時，S1的體二極管關(guān)斷，L1以恒流Iin對Cr進行充電，當Cr上的電壓達到VinV0時，DS1關(guān)斷。 之后，又開始下一個周期的工作。 2    新的ZCS-PWM Boost變換器族 基于前面提出的ZCS-PWM單元電路和Boost變換器，按照單元電路在Boost電路中不同的位置構(gòu)建不同ZCS-PWM Boost變流器。圖6所示的Boost電路就是由圖3所示的Boost電路衍生出的一族ZCS-PWM Boost電路。圖6中所示的單元電路的工作機理同樣也可以用上述方法進行分析。通過分析可以看出，這4個結(jié)構(gòu)的工作步驟與圖3

7、類似，通過在Boost電路上增加新型的輔助電路，在一個諧振周期中，把諧振回路分成兩個部分，這樣流過每個開關(guān)管的諧振電流只有半個周期，因此減輕了S1和S2的電流應(yīng)力，同時也減小了整個電路的損耗。因為這些電路都是基于Boost電路進行構(gòu)架，而且僅僅在結(jié)構(gòu)上有所不同，電路整個周期的工作原理相同，于是把這5個電路歸納為同一族ZCS-PWM Boost電路。  (a)衍生電路之1                (b）衍生電路之2  (c

8、)衍生電路之3                (d）衍生電路之4 圖6    帶有一個電感的ZCS-PWM boost轉(zhuǎn)換器 3    實驗結(jié)果 為了驗證理論分析，進行了實驗。按照圖3中提出的Boost變換器，構(gòu)建了一臺1kW的DC/DC樣機。輸入為DC 90150V，輸出為DC 375V，開關(guān)頻率為95kHz。如圖7所示，在輸入電壓為90V時所測得的電流波形與圖4的仿真波形相吻合。圖7

9、中所示的流經(jīng)開關(guān)的電流波形和整流二極管的電壓波形，與驅(qū)動信號相吻合。樣機的效率如圖8所示。為了說明新的變換器的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的ZCS-PWM變換器（圖1）進行了比較。  (a)vgs2與igs2波形                （b)vgs1與igs1波形                （

10、c)iD1與vD1波形 圖7    實驗波形  圖8    當輸入為150V時傳統(tǒng)電路和改進電路的效率 表1為主要器件的參數(shù)，在滿負載情況下，改進型ZCS電路的效率提高了1.5。表1為電路中所使用的器件列表。 表1    電路中的主要元器件 改進電路 傳統(tǒng)電路 S1 IRG4PC50 S2 IRG4PC40 Lr 14H Cr 22nF DS1 MUR860 / DS2 MUR860 / D1 2×MUR860 seriesconnection 4    結(jié)語 本文介紹了一族新型的ZCSPWM單元電路。此