新型兩相零電壓轉換PWM變換器的研究

摘要：把零電壓轉換技術(shù)和多相變換技術(shù)相結合就可獲得一簇新型多相零電壓轉換PWM變換器。這些變換器具有高性能和高功率密度。主要分析了兩相Boost零電壓轉換PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時(shí)的諧振元件參數的設計和仿真結果。

關(guān)鍵詞：零電壓轉換；多相變換器；高功率密度

1 概述

通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可獲得高性能和高功率密度功率變換器，但傳統的硬開(kāi)關(guān)PWM變換器工作在高頻時(shí)開(kāi)關(guān)損耗很大。因此，硬開(kāi)關(guān)PWM變換器的應用具有局限性。為此，人們提出了用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗，大多數軟開(kāi)關(guān)變換器是以大幅度地增加開(kāi)關(guān)器件的電壓或電流應力為代價(jià)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗的，這導致開(kāi)關(guān)器件的導通損耗顯著(zhù)增加。在零轉換PWM變換器^[1]中，輔助電路在很寬的輸入電壓和負載變化范圍內以最小的電壓和電流應力為主開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)關(guān)，這使得ZVTPWM變換器在中大功率場(chǎng)合得到廣泛應用。

獲得高性能和高功率密度功率變換器的另一種方法是采用多相技術(shù)。輸入電感交錯工作時(shí)，對于n相變換器來(lái)說(shuō)，輸入和輸出濾波電容的工作頻率提高了n倍，因此，使輸入和輸出濾波器中電容保持很小的電流紋波；并且可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。如果將ZVT和多相變換技術(shù)結合起來(lái)，就可以得到更好的動(dòng)態(tài)性能和更高功率密度的功率變換器。簡(jiǎn)單地將多相技術(shù)和ZVT變換器結合起來(lái)的ZVT多相變換器是非常復雜的。因為一個(gè)n相的ZVT變換器需要n個(gè)輔助電路。幾種基本的兩相ZVT PWM變換器^[2]如圖1所示。這些變換器中只包含了一個(gè)有源開(kāi)關(guān)的輔助電路通過(guò)n個(gè)二極管交替地為所有相的主開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)通條件。本文主要分析了兩相Boost ZVT PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時(shí)的仿真結果和諧振元件參數的設計。

2 工作原理

兩相Boost ZVT PWM變換器如圖1（c）所示。

在進(jìn)行討論之前，作如下幾點(diǎn)假設：

——所有元器件都是理想的；

——輸入濾波電感足夠大，故在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電壓源V_in及輸入濾波電感L_f1，L_f2可用一恒 值 電 流 源I_in1，I_in2代 替 ；

— —輸 出 濾 波 電 容 足 夠 大 ， 故 在 一 個(gè) 開(kāi) 關(guān) 周 期 中 ，C_f，R₁可 用 一 恒 值 電 壓 源V_o代 替 。

(a) Buck

(b) Buck- Boost

(c) Boost

(d) Cuk

圖1 基本的兩相ZVTPWM變換器

2.1 D>0.5時(shí)的工作原理

設初始狀態(tài)為主功率開(kāi)關(guān)管S₁及輔助開(kāi)關(guān)管S_r均為關(guān)斷狀態(tài)，主功率開(kāi)關(guān)管S₂和升壓二極管D₁處于導通狀態(tài)。v_c1(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0，v_c2(t₀)=0。

圖2為各主要變量的理論穩態(tài)波形圖，圖3為該變換器在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路。各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。

圖2 D >0.5時(shí) 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩 態(tài) 波 形

(a)模 態(tài)1 (b)模 態(tài)2

(c)模 態(tài)3 (d)模 態(tài)4

(e)模 態(tài)5 (f)模 態(tài)6