- 零轉(zhuǎn)換PWM DC-DC變換器的拓?fù)渚C述
- 一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器
- ZCZVT-PWM變換器
1 引言
為了減小功率變換器的體積、重量和開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率和工作效率，在DC-DC變換器中常采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓（零電流）開(kāi)通或 關(guān)斷。具體的方法有四種： 零電壓準(zhǔn)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(zhuǎn)換PWM變換器。
一般而言，ZVS-QRC變換器[1]電壓應(yīng)力較大，且電壓應(yīng)力與負(fù)載變化范圍成正比；ZVS-MRC變換器[2]也具有較大的電壓應(yīng)力和電流應(yīng) 力；ZVS-PWM變換器[3]則因串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。而零轉(zhuǎn)換PWM變換器則不同，它克服了前面三種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，電路性能大為改善。其電 路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于：它的諧振網(wǎng)絡(luò)與主開(kāi)關(guān)管并聯(lián)；在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振，獲得零開(kāi)關(guān)條件；在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，電路又恢復(fù)到正常的PWM工作方 式。這種電路結(jié)構(gòu)給其帶來(lái)了四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)功率開(kāi)關(guān)器件工作在軟開(kāi)關(guān)條件下，承受的電壓、電流應(yīng)力較低；(2)在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)，都能 較好地保持零電壓特性；(3)輔助諧振網(wǎng)絡(luò)并不需要處理很大的環(huán)流能量，因此電路的導(dǎo)通損耗較?。?4)采用PWM控制方式，實(shí)現(xiàn)了恒頻控制。
由于零轉(zhuǎn)換PWM電路的突出優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛研究和應(yīng)用。最近幾年里，出現(xiàn)了許多新的零轉(zhuǎn)換PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中以ZVT-PWM變換器的一些改進(jìn)、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(duì)這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)分析它們的工作原理，并剖析它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
2 ZVT-PWM變換器及其改進(jìn)
2.1 普通的ZVT-PWM變換器
圖1所示是文獻(xiàn)[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在主開(kāi)關(guān)管S之上，并聯(lián)了一個(gè)由諧振電容Cr（其中包含了主開(kāi)關(guān)S的輸出電容和二極管D的結(jié)電容）、諧振電感Lr、輔助開(kāi)關(guān)S1及二極管D1組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。
在每次主開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通前，先導(dǎo)通輔助開(kāi)關(guān)管S1，使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)諧振。當(dāng)S兩端電容電壓諧振到零時(shí)，導(dǎo)通S。當(dāng)S完成導(dǎo)通后，立即關(guān)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(yùn)行。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不增加電壓/電流應(yīng)力的情況下，實(shí)現(xiàn)了S的零電壓導(dǎo)通和D的零電流關(guān)斷。但由于S1是在大 電流（接近諧振峰值電流）下關(guān)斷、大電壓（接近輸出電壓）下開(kāi)通， S1處于一種非常不好的硬開(kāi)關(guān)環(huán)境。
為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點(diǎn)，近幾年中人們提出了幾種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們均實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗。下面對(duì)這幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)分別予以介紹
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2.2 改進(jìn)拓?fù)渲?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />
圖2所示為文獻(xiàn)[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)洹Ｅc圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了一個(gè)電容
在分析中，假定：（1）輸入電壓
為常數(shù)；（2） 輸出電容
設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開(kāi)關(guān)管
模態(tài)1
模態(tài)2
模態(tài)3
可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管T2在零電流下導(dǎo)通和零電壓下關(guān)斷，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬通斷的缺點(diǎn)，減少了關(guān)斷損耗。
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2.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
圖3所示為文獻(xiàn)[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓?fù)?。與圖3的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)電容，少了一個(gè)二極管。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：
可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管 在ZVS條件下通斷，輔助開(kāi)關(guān)管 在零電壓、零電流的條件下關(guān)斷與開(kāi)通，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是軟通斷，改善了開(kāi)關(guān)環(huán)境，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，減小了關(guān)斷損耗。
2.4 改進(jìn)拓?fù)渲?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; " />
圖4所示為文獻(xiàn)[7]提出的另一種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器拓?fù)?。與圖4的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)渲皇窃谳o助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè) 電感、一個(gè)二極管和一個(gè)電容。其工作原理的分析與前面的基本相似，具體分析可以參考文獻(xiàn)[7]。從中可知，主開(kāi)關(guān)管S1在零電壓下開(kāi)通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管 S2在零電流下開(kāi)通和關(guān)斷，從而克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，減小了開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)開(kāi)關(guān)都是軟開(kāi)關(guān)。
3 ZCT-PWM變換器
3.1 普通的ZCT-PWM變換器
ZVT-PWM變換器能實(shí)現(xiàn)在ZVS下開(kāi)通，消除導(dǎo)通損耗，但卻不能有效地減小關(guān)斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8]，如圖5所示，則能實(shí)現(xiàn)主 開(kāi)關(guān)在ZCS下關(guān)斷，消除關(guān)斷損耗。但是，其輔助開(kāi)關(guān)仍然是硬開(kāi)關(guān)，而且，其輸出整流二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題，導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過(guò)改變控制 策略，使輔助開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)一些，可以實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)管在ZCS下關(guān)斷，但輔助開(kāi)關(guān)管的峰值電流將較大。
3.2 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的ZCT-PWM變換器。該改進(jìn)的拓?fù)渲皇菍⒅C振網(wǎng)絡(luò)的輔助開(kāi)
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3.3 改進(jìn)拓?fù)渲?/strong>
文獻(xiàn)[10]介紹了一種新穎的ZCT-PWM變換器，它很好地解決了以上所提的各項(xiàng)缺點(diǎn)，如圖6所示。與圖5的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進(jìn)的拓?fù)湓谠骷?shù)量方面沒(méi)有增減，只是改變了組合方式，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)S和輔助開(kāi)關(guān)管
在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開(kāi)關(guān)管S及輔助開(kāi)關(guān)管
可見(jiàn)，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管
4 ZCZVT-PWM變換器
近些年，一些電力電子研究中心的工程師們正盡力尋求一種最優(yōu)化的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即用盡量少的輔助元件，實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，綜 合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善零轉(zhuǎn)換條件。文獻(xiàn)[11]所介紹一種新穎的 ZCZVT-PWM變換器，就能實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管同時(shí)在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，如圖7所示。以下對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開(kāi)關(guān)管S及輔助開(kāi)關(guān)管
可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管S同時(shí)在零電壓和零電流條件下開(kāi)通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管
5 總結(jié)
零轉(zhuǎn)換PWM DC-DC變換器是低電壓（電流）應(yīng)力、高效率的變換器，但傳統(tǒng)的零轉(zhuǎn)換PWM DC-DC變換器仍存在一些問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了許多新的改進(jìn)拓?fù)洹１疚膶?duì)三種改進(jìn)的ZVT-PWM變換器、一種改進(jìn)的ZCT-PWM，以 及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細(xì)介紹和分析。這幾個(gè)改進(jìn)的拓?fù)涠紝?shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管的軟通斷，進(jìn)一步減小了開(kāi)關(guān)損耗，效率大為提高，很值得進(jìn)一步研 究和完善。
