寬幅壓大功率軟開關SEPIC變換器的實驗分析

唐成 孫心豐 魯韻2,

（1. 海軍大連艦艇學院 訓練艦支隊，大連 116018； 2. 華中科技大學，武漢 430074）

0 引言

SEPIC變換器能實現升降壓，對寬幅壓直流電網有良好適用性；在開關管的導通和截止期間，都能傳遞功率，傳輸效率高，抗電網干擾能力強，適用大功率高效率場合。軟開關技術應用于DC-DC變換器，改善其諧波、開關損耗和工作應力有良好作用，是變換器技術研究的重要內容[1]。

本文分析一種大功率場合的 ZVZCT-PWM SEPIC變換器，其主開關管能實現零電壓零電流開關，輔助開關管能實現零電流開通、零電壓零電流關斷，續流二極管實現了零電壓零電流關斷、零電壓開通[2]。諧振網絡并聯在主電路中，開關管的電壓應力沒有提高，同時諧振網絡功耗低[3]。

本文在對該電路工作原理進行簡要介紹后，在輸入電壓 320-180V變化條件下，對該變換器的各元件參數進行了選取及優化，通過MATLAB仿真分析和研究，驗證變換器軟開關功能的良好實現，開關管損耗的有效降低，功率傳輸效率高，是船用高效率幅壓直流變換器的方案選擇之一。

1 ZVZCT PWM SEPIC變換器簡介

圖1是一種零電流零電壓轉換PWM SEPIC變換器，在一個開關周期內，共有14個工作模態。其中，主開關管實現零電壓零電流開通共有8個工作模態，主開關管實現零電壓零電流關斷共有6個工作模態，其詳細的狀態分析在文獻[4]中，其主要參數波形如圖2所示。

圖1 ZVZCT PWM SEPIC直流變換器

圖2 ZVZCT PWM SEPIC直流變換器的工作原理

該 ZVZCT PWM SEPIC變換器的主要優點有：（1）主開關管能實現零電壓零電流開關，輔助開關管能實現零電流開通、零電壓零電流關斷，續流二極管能實現零電壓零電流關斷、零電壓開通，功率開關管損耗有效降低；（2）軟開關條件與輸入輸出無關，在較寬的輸入電壓范圍內實現軟開關；（3）變換器效率增加，電磁干擾減小。

2 系統的仿真與參數設計

2.1 主開關管S實現ZVZCT條件

為了實現主開關管S的零電壓零電流開通，在模態 4中，在Lr電流降低至Iin+I0以前，Cr1的電壓必須降低為零，此時，體二極管DS導通，S的電壓鉗位為零。只要Δt4足夠長，即可實現。

為了實現主開關管S的零電壓零電流關斷，在模態10中，Lr電流應該增加到大于Iin+I0。此時，體二極管Ds，S的電壓鉗位為零。

其中，D為主開關管占空比，由此可以得出：

2.2 諧振支路中Lr和Cr1，Cr2的選值

輔助電路的工作時間不能太長，一般可選擇為開關周期Ts的1/10，即

即有

其中，ta1為一個開關周期內輔助開關管第一次導通時間，ta2為輔助開關管第二次導通時間。對于 180 V—320 V的寬幅壓條件，可得 D∈（0.407, 0.55），由（4）、（5）式可得結果取（4）式。從而通過Lr的選取，根據式（2）可選取Cr1和Cr2。

2.2 基于寬幅壓的Matlab仿真[5]

設定輸入直流電壓Vin=180 V；輸出直流電壓V0=220 V；輸出電流I0=2.2 A；電容C=1100 μF；輸入電感Lr1=2 mH；輸出電感Lr2=2 mH；濾波電容Cf=470μF；諧振電容Cr1=Cr2=10 nF；電感Lr=5 μH；負載電阻 R=100 Ω；開關頻率 40 kHz。

仿真結果如圖3所示，由左至右依次為主開關管兩端電壓、電流波形和輔助開關管兩端電壓、電流波形。如圖4所示，在輸入電壓為180 V時，主開關管實現了零電壓零電流開通和關斷，輔助開關管實現零電流導通，零電壓零電流關斷。

圖3 Vin=180 V時主、輔開關管電壓電流波形

圖4 Vin=180 V主輔開關管軟開關示意圖

圖5 Vin=320 V時主、輔開關管電壓電流波形

仿真結果如圖5所示，由左至右依次為主開關管兩端電壓、電流波形和輔助開關管兩端電壓、電流波形。圖6所示，在輸入電壓為320 V時，主開關管實現了零電壓零電流開通和關斷，輔助開關管實現零電流導通，零電壓零電流關斷。

圖6 Vin=320 V主輔開關管軟開關示意圖

由圖3-6可以看出，仿真結果與理論分析基本一致，在不改變元件參數的前提下，調整輸入電壓和輔助開關管的導通時間和延遲時間，可以實現主開關管零電壓零電流開關，輔助開關管零電流導通，零電壓零電流關斷。

3 實驗分析

輔助開關管Sa超前主開關管S導通，超前主開關管關斷，且脈寬不同。據此利用DSP2407設計出兩路控制信號控制主輔開關管。接線圖如圖7所示。

圖8所示是DSP驅動電路產生PWM波形。

圖7 HCPL-4504接線圖

圖8 DSP驅動電路輸出的PWM波形

由圖8可以明顯看出輔助開關管在主開關管開通和關斷之前導通，主開關管開通和關斷之后關斷，即主開關管一個周期內，輔助開關管開關兩次，兩次導通的時間略有差別，達到預期設想。

圖9由左至右依次為輸入電壓為180 V時變換器主開關管兩端的電壓、電流波形和輔助開關管兩端的電壓、電流波形。

由圖 9（a），實驗波形與仿真波形基本一致，實現主開關管的零電壓零電流開通和關斷。由圖9（b），實驗與仿真波形基本一致，實現了輔助開關管功能。表1是實測系統在180 V-320 V寬幅壓輸入下的效率，經計算，該直流變換器的源效應約為1.3%，負載效應穩壓精度約為0.55%。

4 結論

本文重點分析了該型電路的參數優化及設計，在此基礎上搭建了實驗電路進行了實驗分析，并得出了大功率寬幅壓場合下不同輸入電壓時的變換器效率。理論分析和實際實驗表明，電路能很好實現開關管的 ZVZCT軟開通和軟關斷，并且有效降低了損耗，提高了效率，達到預期目的。

圖9 主輔開關管的電壓、電流實驗波形

[1] 陳堅. 電力電子學—電力電子變換和控制技術（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 265-269.

[2] 胡宗波, 張波, 鄧衛華. PWM 直流變換器中的一種新型的零電壓零電流轉換軟開關單元[J]. 中國電機工程學報, 2004, 24（3）: 126-134.

[3] OStein C M,Hey H L.A true ZCZVT commutation cell for PWM converters[J].IEEE Transaction On Power Electronics, 2000, 15（1）: 185-193.

[4] 孫心豐, 張俊洪, 高嵬. 寬幅壓輸入恒壓輸出的ZVZCT-PWM SEPIC變換器分析設計[J]. 電力自動化設備, 2011, 31（1）: 49-54.

[5] 陳慕齊, 吳正國. 零電流零電壓開關的 Matlab仿真[J]. 海軍工程大學學報, 2001, 13（3）: 75-79.