中心議題：

• 零轉(zhuǎn)換PWM DC-DC變換器的拓撲綜述

解決方案：

• 一種改進的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、重量和開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率和工作效率，在DC-DC變換器中常采用軟開關(guān)技術(shù)，以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓（零電流）開通或 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，電路性能大為改善。其電 路結(jié)構(gòu)的特點在于：它的諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)管并聯(lián)；在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振，獲得零開關(guān)條件；在開關(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)給其帶來了四個方面的優(yōu)點：(1)功率開關(guān)器件工作在軟開關(guān)條件下，承受的電壓、電流應(yīng)力較低；(2)在整個輸入電壓和負載范圍內(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，實現(xiàn)了恒頻控制。

由于零轉(zhuǎn)換PWM電路的突出優(yōu)點，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拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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
圖1所示是文獻[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。它在主開關(guān)管S之上，并聯(lián)了一個由諧振電容Cr（其中包含了主開關(guān)S的輸出電容和二極管D的結(jié)電容）、諧振電感Lr、輔助開關(guān)S1及二極管D1組成的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。

在每次主開關(guān)管S導(dǎo)通前，先導(dǎo)通輔助開關(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，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方式運行。該拓撲結(jié)構(gòu)在不增加電壓/電流應(yīng)力的情況下，實現(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）下開通， S1處于一種非常不好的硬開關(guān)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(jié)構(gòu)，它們均實現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗。下面對這幾種改進結(jié)構(gòu)分別予以介紹
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2.2 改進拓撲之一

圖2
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(wǎng)絡(luò)中增加了一個電容

和兩個二極管

，但卻同時實現(xiàn)了主開關(guān)管T1和輔助開關(guān)管T2的軟通斷，以下對其工作過程進行分析。

在分析中，假定：（1）輸入電壓

為常數(shù)，主電感

足夠大，輸入電流

為常數(shù)；（2） 輸出電容

足夠大，輸出電壓為常數(shù)； （3）諧振電路是理想的；（4）緩沖電感

<<

；（5）忽略半導(dǎo)體器件的電壓降和寄生電容；（6）忽略

其它二極管的反向恢復(fù)時間。

設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開關(guān)管

及輔助開關(guān)管

均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管

處于導(dǎo)通狀態(tài)。

。電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關(guān)周期的工作過程可分為7個模態(tài)：

模態(tài)1

在

時刻，

導(dǎo)通，

線性下降，

線性上升，直到

，

，該模態(tài)結(jié)束；

模態(tài)2

在

時刻，

達到最大反向恢復(fù)電流，主二極管

關(guān)斷，

開始諧振，直到

放電到零，轉(zhuǎn)到模態(tài)3；

模態(tài)3

在

時刻，

自然導(dǎo)通；

可見，該拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主開關(guān)管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管T2在零電流下導(dǎo)通和零電壓下關(guān)斷，兩個開關(guān)管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關(guān)管為硬通斷的缺點，減少了關(guān)斷損耗。
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2.3 改進拓撲之二

圖3

圖3所示為文獻[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖3的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個電容，少了一個二極管。以下對其工作過程進行分析。

在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為： ，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關(guān)周期可劃分為7個模態(tài)：

可見，該拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主開關(guān)管 在ZVS條件下通斷，輔助開關(guān)管 在零電壓、零電流的條件下關(guān)斷與開通，兩個開關(guān)管都是軟通斷，改善了開關(guān)環(huán)境，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關(guān)管為硬開關(guān)的缺點，減小了關(guān)斷損耗。

2.4 改進拓撲之三

圖4

圖4所示為文獻[7]提出的另一種改進的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖4的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網(wǎng)絡(luò)增加了一個 電感、一個二極管和一個電容。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[7]。從中可知，主開關(guān)管S1在零電壓下開通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管 S2在零電流下開通和關(guān)斷，從而克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關(guān)管為硬開關(guān)的缺點，減小了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了兩個開關(guān)都是軟開關(guān)。


3　ZCT-PWM變換器

3.1 普通的ZCT-PWM變換器

圖5

ZVT-PWM變換器能實現(xiàn)在ZVS下開通，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，則能實現(xiàn)主 開關(guān)在ZCS下關(guān)斷，消除關(guān)斷損耗。但是，其輔助開關(guān)仍然是硬開關(guān)，而且，其輸出整流二極管存在嚴重的反向恢復(fù)問題，導(dǎo)致大的導(dǎo)通損耗。雖然通過改變控制 策略，使輔助開關(guān)導(dǎo)通時間更長一些，可以實現(xiàn)輔助開關(guān)管在ZCS下關(guān)斷，但輔助開關(guān)管的峰值電流將較大。

3.2　改進拓撲之一

文獻[9]提出了一種改進的ZCT-PWM變換器。該改進的拓撲只是將諧振網(wǎng)絡(luò)的輔助開 和嵌位二極管 交換位置，能實現(xiàn)所有的開關(guān)管在ZCS下通斷，并減小了輔助開關(guān)管的峰值電流。但它的整流二極管 仍存在嚴重的反向恢復(fù)問題。
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3.3 改進拓撲之二

文獻[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缺點，如圖6所示。與圖5的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲在元器件數(shù)量方面沒有增減，只是改變了組合方式，但同時實現(xiàn)了主開S和輔助開關(guān)管 的軟通斷，并解決了輸出整流二極管 嚴重的反向恢復(fù)問題。以下對其工作過程進行分析。

圖6

在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開關(guān)管S及輔助開關(guān)管 均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管 處于導(dǎo)通狀態(tài)。 ，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關(guān)周期可劃分為8個模態(tài)：

可見，該拓撲實現(xiàn)了所有開關(guān)管和輸出整流二極管 都在較小的 下軟開通，在ZCS下關(guān)斷，而且在主開關(guān)管S上沒有附加的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗，大大減小了輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流。


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)化的軟開關(guān)技術(shù)，即用盡量少的輔助元件，實現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件同時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，進一步完善零轉(zhuǎn)換條件。文獻[11]所介紹一種新穎的 ZCZVT-PWM變換器，就能實現(xiàn)主開關(guān)管同時在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，如圖7所示。以下對其工作過程進行分析。

圖 7

在分析中，假設(shè)與1.2基本相同，并設(shè)初始狀態(tài)為：主功率開關(guān)管S及輔助開關(guān)管 均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)， ，則電路在穩(wěn)態(tài)時，每個開關(guān)周期可劃分為14個模態(tài)：

可見，該拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主開關(guān)管S同時在零電壓和零電流條件下開通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管 在零電流條件下開通，零電壓和零電流條件下關(guān)斷，輸出整流二極管D在零電壓下轉(zhuǎn)換，從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優(yōu)點，又克服了它們各自的缺點，大大減小了開關(guān)損耗。


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題。為了解決這些問題，人們提出了許多新的改進拓撲。本文對三種改進的ZVT-PWM變換器、一種改進的ZCT-PWM，以 及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細介紹和分析。這幾個改進的拓撲都實現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟通斷，進一步減小了開關(guān)損耗，效率大為提高，很值得進一步研 究和完善。