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零轉換PWM DC-DC變換器的拓撲綜述
作者：
時(shí)間：2012-01-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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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變換器和零轉換PWM變換器。
一般而言，ZVS-QRC變換器[1]電壓應力較大，且電壓應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力和電流應力；ZVS-PWM變換器[3]則因串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò )而導致大的導通損耗。而零轉換PWM變換器則不同，它克服了前面三種結構的缺點(diǎn)，電路性能大為改善。其電路結構的特點(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)轉換結束后，電路又恢復到正常的PWM工作方式。這種電路結構給其帶來(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、電流應力較低；(2)在整個(gè)輸入電壓和負載范圍內，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，因此電路的導通損耗較??；(4)采用PWM控制方式，實(shí)現了恒頻控制。
由于零轉換PWM電路的突出優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛研究和應用。最近幾年里，出現了許多新的零轉換PWM拓撲結構，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。本文將對這幾種拓撲結構作簡(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
圖1所示是文獻[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓撲結構。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導通前，先導通輔助開(kāi)關(guān)管S1，使輔助諧振網(wǎng)絡(luò )諧振。當S兩端電容電壓諧振到零時(shí)，導通S。當S完成導通后，立即關(guān)斷S1，使輔助諧振電路停止工作。之后，電路以常規的PWM方式運行。該拓撲結構在不增加電壓/電流應力的情況下，實(shí)現了S的零電壓導通和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變換器拓撲結構，它們均實(shí)現了主開(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。下面對這幾種改進(jìn)結構分別予以介紹
2.2 改進(jìn)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(jìn)的拓撲只是在輔助諧振網(wǎng)絡(luò )中增加了一個(gè)電容和兩個(gè)二極管，但卻同時(shí)實(shí)現了主開(kāi)關(guān)管T1和輔助開(kāi)關(guān)管T2的軟通斷，以下對其工作過(guò)程進(jìn)行分析。
在分析中，假定：（1）輸入電壓為常數，主電感足夠大，輸入電流
為常數；（2） 輸出電容足夠大，輸出電壓為常數； （3）諧振電路是理想的；（4）緩沖電感；（5）忽略半導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時(shí)間。
設初始狀態(tài)為：主功率開(kāi)關(guān)管及輔助開(kāi)關(guān)管均為關(guān)斷狀態(tài)，輸出整流二極管處于導通狀態(tài)。。電路在穩態(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的工作過(guò)程可分為7個(gè)模態(tài)：
模態(tài)1在時(shí)刻，導通，線(xiàn)性下降，線(xiàn)性上升，直到，，該模態(tài)結束；
模態(tài)2在時(shí)刻，達到最大反向恢復電流，主二極管關(guān)斷，開(kāi)始諧振，直到放電到零，轉到模態(tài)3；
模態(tài)3在時(shí)刻，自然導通；
可見(jiàn)，該拓撲結構實(shí)現了主開(kāi)關(guān)管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導通和關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管T2在零電流下導通和零電壓下關(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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