- 零轉換PWM DC-DC變換器的拓撲綜述
- 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、重量和開關損耗,提高開關頻率和工作效率,在DC-DC變換器中常采用軟開關技術,以實現(xiàn)主開關管的零電壓(零電流)開通或 關斷。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)諧振網絡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,電路性能大為改善。其電 路結構的特點在于:它的諧振網絡與主開關管并聯(lián);在開關轉換期間,諧振網絡產生諧振,獲得零開關條件;在開關轉換結束后,電路又恢復到正常的PWM工作方 式。這種電路結構給其帶來了四個方面的優(yōu)點:(1)功率開關器件工作在軟開關條件下,承受的電壓、電流應力較低;(2)在整個輸入電壓和負載范圍內,都能 較好地保持零電壓特性;(3)輔助諧振網絡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,實現(xiàn)了恒頻控制。
由于零轉換PWM電路的突出優(yōu)點,使其得到了廣泛研究和應用。最近幾年里,出現(xiàn)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、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。它在主開關管S之上,并聯(lián)了一個由諧振電容Cr(其中包含了主開關S的輸出電容和二極管D的結電容)、諧振電感Lr、輔助開關S1及二極管D1組成的輔助諧振網絡。
在每次主開關管S導通前,先導通輔助開關管S1,使輔助諧振網絡諧振。當S兩端電容電壓諧振到零時,導通S。當S完成導通后,立即關斷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。該拓撲結構在不增加電壓/電流應力的情況下,實現(xiàn)了S的零電壓導通和D的零電流關斷。但由于S1是在大 電流(接近諧振峰值電流)下關斷、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變換器拓撲結構,它們均實現(xiàn)了主開關管和輔助開關管的軟開關,減少開關損耗。下面對這幾種改進結構分別予以介紹
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2.2 改進拓撲之一
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絡中增加了一個電容 和兩個二極管 ,但卻同時實現(xiàn)了主開關管T1和輔助開關管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間。
設初始狀態(tài)為:主功率開關管 及輔助開關管 均為關斷狀態(tài),輸出整流二極管 處于導通狀態(tài)。 。電路在穩(wěn)態(tài)時,每個開關周期的工作過程可分為7個模態(tài):
模態(tài)1 在 時刻, 導通, 線性下降, 線性上升,直到 , ,該模態(tài)結束;
模態(tài)2 在 時刻, 達到最大反向恢復電流,主二極管 關斷, 開始諧振,直到 放電到零,轉到模態(tài)3;
模態(tài)3 在 時刻, 自然導通;
可見,該拓撲結構實現(xiàn)了主開關管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導通和關斷,輔助開關管T2在零電流下導通和零電壓下關斷,兩個開關管都是軟通斷,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬通斷的缺點,減少了關斷損耗。
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2.3 改進拓撲之二
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絡增加了一個電容,少了一個二極管。以下對其工作過程進行分析。
在分析中,假設與1.2基本相同,并設初始狀態(tài)為: ,則電路在穩(wěn)態(tài)時,每個開關周期可劃分為7個模態(tài):
可見,該拓撲結構實現(xiàn)了主開關管 在ZVS條件下通斷,輔助開關管 在零電壓、零電流的條件下關斷與開通,兩個開關管都是軟通斷,改善了開關環(huán)境,克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬開關的缺點,減小了關斷損耗。
2.4 改進拓撲之三
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絡增加了一個 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,主開關管S1在零電壓下開通和關斷,輔助開關管 S2在零電流下開通和關斷,從而克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關管為硬開關的缺點,減小了開關損耗,實現(xiàn)了兩個開關都是軟開關。
3 ZCT-PWM變換器
3.1 普通的ZCT-PWM變換器
ZVT-PWM變換器能實現(xiàn)在ZVS下開通,消除導通損耗,但卻不能有效地減小關斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8],如圖5所示,則能實現(xiàn)主 開關在ZCS下關斷,消除關斷損耗。但是,其輔助開關仍然是硬開關,而且,其輸出整流二極管存在嚴重的反向恢復問題,導致大的導通損耗。雖然通過改變控制 策略,使輔助開關導通時間更長一些,可以實現(xiàn)輔助開關管在ZCS下關斷,但輔助開關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絡的輔助開 和嵌位二極管 交換位置,能實現(xiàn)所有的開關管在ZCS下通斷,并減小了輔助開關管的峰值電流。但它的整流二極管 仍存在嚴重的反向恢復問題。
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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和輔助開關管 的軟通斷,并解決了輸出整流二極管 嚴重的反向恢復問題。以下對其工作過程進行分析。
在分析中,假設與1.2基本相同,并設初始狀態(tài)為:主功率開關管S及輔助開關管 均為關斷狀態(tài),輸出整流二極管 處于導通狀態(tài)。 ,則電路在穩(wěn)態(tài)時,每個開關周期可劃分為8個模態(tài):
可見,該拓撲實現(xiàn)了所有開關管和輸出整流二極管 都在較小的 下軟開通,在ZCS下關斷,而且在主開關管S上沒有附加的電流應力和導通損耗,大大減小了輸出整流二極管的反向恢復電流。
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)化的軟開關技術,即用盡量少的輔助元件,實現(xiàn)功率半導體器件同時在零電壓和零電流下轉換,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)主開關管同時在零電壓和零電流下轉換,如圖7所示。以下對其工作過程進行分析。
在分析中,假設與1.2基本相同,并設初始狀態(tài)為:主功率開關管S及輔助開關管 均為關斷狀態(tài),輸出整流二極管D處于導通狀態(tài), ,則電路在穩(wěn)態(tài)時,每個開關周期可劃分為14個模態(tài):
可見,該拓撲結構實現(xiàn)了主開關管S同時在零電壓和零電流條件下開通和關斷,輔助開關管 在零電流條件下開通,零電壓和零電流條件下關斷,輸出整流二極管D在零電壓下轉換,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,大大減小了開關損耗。
5 總結
零轉換PWM DC-DC變換器是低電壓(電流)應力、高效率的變換器,但傳統(tǒng)的零轉換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)了所有開關管的軟通斷,進一步減小了開關損耗,效率大為提高,很值得進一步研 究和完善。