一種兩相ZVT—PWMDC/DC變換器的分析與設(shè)計(jì)

1引言

近幾年來(lái)，隨著軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用日趨成熟，變換器的工作頻率提高了，磁性元件以及電容的體積減小了，變換器的功率密度也隨之提高了。自80年代初美國(guó)VPEC(VirginiaPowerElectronicCenter)的李澤元教授提出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的概念后，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用已分別經(jīng)歷了諧振開(kāi)關(guān)階段、準(zhǔn)諧振階段以及軟開(kāi)關(guān)PWM階段。其中前兩個(gè)階段共有的兩大缺陷是：

(1)諧振元件處于功率傳輸?shù)闹麟娐分校沟瞄_(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力增大；

(2)輸出電壓與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，必須采用調(diào)頻控制，因此不利于輸入、輸出濾波器的設(shè)計(jì)。

零過(guò)渡PWM技術(shù)出現(xiàn)后，受到人們廣泛的重視。零過(guò)渡PWM變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)保留了PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了恒頻控制；

(2)諧振元件與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，不參與功率傳輸，因此使主開(kāi)關(guān)的電壓、電流應(yīng)力大大減小了；

(3)與以往的軟開(kāi)關(guān)變換器相比，能實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān)條件的電源電壓、負(fù)載變化范圍更寬。

文獻(xiàn)1提出的兩相ZVT(ZeroVoltageTransition)PWMDC/DC變換器是多相技術(shù)與零電壓過(guò)渡PWM技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于使用了多相技術(shù)，減少了輸出電流的紋波，相對(duì)地增大了輸出功率。該電路的主開(kāi)關(guān)是零電壓開(kāi)通的，主續(xù)流二極管是零電流關(guān)斷的。

本文針對(duì)兩相ZVTPWMBuck變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和工作原理，推導(dǎo)了電壓變換比、主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通條件等公式，并給出了輔助諧振電路元件參數(shù)選取的依據(jù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了推導(dǎo)的正確性和參數(shù)設(shè)計(jì)的可行性。

2新型兩相ZVTPWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及

工作原理

圖1所示為此變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)這種Buck型兩相ZVTPWM變換器而言，當(dāng)一個(gè)主續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)，輔助電路開(kāi)始工作，為相應(yīng)相的開(kāi)關(guān)器件提供零電壓開(kāi)通條件。為了使輔助電路有高的工作效率，當(dāng)輔助電路開(kāi)始工作時(shí)，某一相的有源開(kāi)關(guān)應(yīng)該處于導(dǎo)通狀態(tài)。換句話說(shuō)，占空比D應(yīng)大于05。否則，如圖1中所示的輔助電路處理的功率約為D>05時(shí)的兩倍，因而增大了輔助電路的損耗。因此，這種兩相ZVTPWM變換器適用于需要電壓變換比高于05的場(chǎng)合。圖2所示為該電路在D>05時(shí)的主要波形。鑒于以上原因，以下主要對(duì)D>05時(shí)的工作原理以及電路特性做詳細(xì)的分析。

圖1兩相ZVTPWMBuck變換器

D>05時(shí)，兩相ZVTPWMBuck變換器的工作原理如下：t0時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，諧振電容C1以I01大小的電流放電，使諧振電容C1上的電壓線性下降。t1時(shí)刻，主續(xù)流二極管D1兩端電壓vD1降到0，D1開(kāi)始續(xù)流。t2～t3階段，諧振電流線性上升階段。t2時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)Sr開(kāi)通，諧振電流iLr流經(jīng)Dr1，并以Vs/Lr的斜率增大。t3時(shí)刻，iLr開(kāi)始大于I01，主續(xù)流二極管D1斷開(kāi)，諧振電感Lr與諧振電容C1開(kāi)始諧振。諧振電容C1兩端的電壓以正弦規(guī)律上升，直到上升到Vs，被主開(kāi)關(guān)S1的反并聯(lián)二極管鉗位在Vs，為主開(kāi)關(guān)S1創(chuàng)造零電壓開(kāi)通的條件。t4～t5恒流階段，由于諧振電感Lr兩端的電壓被主開(kāi)關(guān)S1的反并聯(lián)二極管鉗位為零，因此諧振電感Lr中的電流保持恒定。在此階段中的任意時(shí)刻開(kāi)通主開(kāi)關(guān)即為零電壓開(kāi)通。但在輔助開(kāi)關(guān)關(guān)斷且諧振電感電流下降到I01之前，主開(kāi)關(guān)中并沒(méi)有電流流過(guò)。t5時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)關(guān)斷，輔助回路續(xù)流二極管Dr導(dǎo)通，諧振電感電流開(kāi)始下降，直到下降到負(fù)載電流I01時(shí)，主開(kāi)關(guān)S1中才開(kāi)始有電流流過(guò)。t6時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S1的電流由零開(kāi)始線性上升，諧振電感Lr中的電流繼續(xù)線性下降，直到t7時(shí)刻下降到零。在t7～t8階段，由主開(kāi)關(guān)S1和S2同時(shí)為負(fù)載提供能量。

3電路主要特性

假設(shè)電路元件均為理想元件，且輸出濾波電感LO1、LO2足夠大，可近似看為恒流源。但在實(shí)際的電路中輸出電流難免有紋波，這樣IO就會(huì)有一部分電流被CO分流，因此設(shè)流過(guò)負(fù)載電阻RO的電流IRO=IO×p（0p1）。

31電壓變換比根據(jù)電感在穩(wěn)態(tài)時(shí)的伏—秒平衡特性（VLdt=0），可推導(dǎo)出D>05時(shí)該變換器的電壓變換比M為：M=(1)

式中：F=fr/fs；

RO為負(fù)載電阻；Zr=，為諧振特征阻抗；

ta＊=ta·fr=ta/Tr。其中：fr=1/Tr=1/2π；

fs=1/Ts為開(kāi)關(guān)頻率；

ta的含義如圖2中所示。

當(dāng)D≤05時(shí)，電壓變換比可近似地用下式表示：(推導(dǎo)從略)(2)

式中：Taux為輔助開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。

32主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通的條件

為了能使主開(kāi)關(guān)在零電壓條件下開(kāi)通，諧振電容的電壓需在主開(kāi)關(guān)開(kāi)通信號(hào)到來(lái)時(shí)上升到Vs，即輔助開(kāi)關(guān)需提前主開(kāi)關(guān)一定的時(shí)間導(dǎo)通，為主開(kāi)關(guān)創(chuàng)造零電壓開(kāi)通條件。TL≥Δt3＋Δt4=(3)

圖2D>05時(shí)的主要波形