ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

呂青，王路，王鎬江，高嵬

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ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

呂青1，王路2，王鎬江3，高嵬4

（1. 空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430014；2. 海軍裝備研究院，北京 100082；3. 中船重工集團(tuán)第704所；上海 200083；4. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

本文針對(duì)直流變換器的高損耗問題，對(duì)ZCZVT-PWM型SEPIC直流變換器進(jìn)行了全面分析，對(duì)其損耗機(jī)理進(jìn)行了定量計(jì)算，建立了器件級(jí)的損耗數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步研究該型電路拓?fù)涞能涢_關(guān)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

ZCZVT-PWM SEPIC 損耗 軟開關(guān)

0 引言

關(guān)于直流變換器在損耗問題上的研究，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[1-3]多建立在對(duì)電路原理的數(shù)學(xué)仿真上，而對(duì)其損耗機(jī)理的定量分析和計(jì)算尚不多見。本文在普通硬開關(guān)SEPIC和ZVZCT-PWM SEPIC電路的基礎(chǔ)上，通過合理化假設(shè)，建立器件的損耗數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行定量分析計(jì)算。

1 SEPIC變換器開關(guān)損耗分析

在開關(guān)電路中，主要的熱耗元件是功率開關(guān)管、續(xù)流二極管以及輸入輸出電感，在這里對(duì)上述元件的損耗進(jìn)行分析和計(jì)算[4,5]。

1.1 功率開關(guān)器件（MOSFET）的損耗分析

在該變換器中，采用功率MOSFET開關(guān)管，其損耗主要為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

1）通態(tài)損耗

2）開關(guān)損耗

由開通損耗、關(guān)斷損耗和容性開通損耗組成。其中開通損耗、關(guān)斷損耗是由開關(guān)管開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的。產(chǎn)生的原因主要是：在開通時(shí)，開關(guān)管的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行，出現(xiàn)電壓電流波形交疊，產(chǎn)生了開關(guān)損耗，并隨開關(guān)頻率的增加而增大。

將開關(guān)管電流和電壓按線性處理，如圖1所示的理想開關(guān)狀態(tài)波形，則開通損耗就是在開關(guān)管開通時(shí)間（0~t）內(nèi)所承受的電壓和電流乘積的積分，即

同理，關(guān)斷損耗為

MOSFET工藝同其它工藝器件相比，其管芯所允許的電流密度較小，大電流器件的管芯面積要求就較大，因此漏源極之間的寄生電容C較大，開關(guān)開通時(shí)，其儲(chǔ)藏的能量耗散在溝道上，形成容性開通損耗。容性開通的損耗為：

由式(1)-(4)，可得到總損耗為：

1.2 續(xù)流二極管（FRD）的損耗分析

在電路中，續(xù)流二極管經(jīng)常使用快速恢復(fù)二極管（FRD），它具有正向壓降小，反向漏電流小，反向恢復(fù)時(shí)間短等特點(diǎn)。快速恢復(fù)二極管的損耗主要分為通態(tài)損耗和恢復(fù)損耗。

1）通態(tài)損耗

通態(tài)損耗為：

2）恢復(fù)損耗

恢復(fù)損耗主要是由于二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期，這個(gè)時(shí)間內(nèi)它仍處于導(dǎo)通過程，造成反向電流和電壓波形的疊加，產(chǎn)生損耗。由于二極管在關(guān)斷時(shí)的恢復(fù)過程很多參數(shù)不易測(cè)量，可通過對(duì)其恢復(fù)過程合理化假設(shè)，對(duì)其恢復(fù)損耗進(jìn)行估算，可以假設(shè)延遲時(shí)間與下降時(shí)間近似相等。按圖2的理想恢復(fù)波形處理，這里假設(shè)反向恢復(fù)時(shí)間為t=2(t- t)= (t- t)。

圖2 理想化的反向恢復(fù)過程

則其恢復(fù)損耗為：

式中V、I為反向恢復(fù)電壓、電流峰值，f為變換器的工作頻率。

由式(6)和(7)可得功率整流二極管的總損耗為：

從以上分析可以得出，根據(jù)功率MOSFET、續(xù)流二極管在硬開關(guān)電路中的工作原理，其損耗主要由器件的物理特性決定，限制了電路的工作頻率的進(jìn)一步提高，特別是在高于300kHz時(shí)，其損耗已經(jīng)很大，由于損耗引起溫升，降低了可靠性。所以在大功率電源中，傳統(tǒng)的硬開關(guān)SEPIC電路存在嚴(yán)重的缺陷。通過使用新器件，如大功率容量、低通態(tài)損耗的IGBT，超快速恢復(fù)二極管（UFRD）等，它們可以減小部分開關(guān)損耗，但還是受到限制。

2 ZCZVT-PWM SEPIC電路開關(guān)損耗分析

在ZCZVT-PWM SEPIC電路中增加了軟開關(guān)部分，因此在分析開關(guān)損耗時(shí)必須將其考慮在內(nèi)，進(jìn)行全面分析。

2.1 主開關(guān)管S的損耗分析

1）通態(tài)損耗：

2）開關(guān)損耗

因?yàn)橹鏖_關(guān)管式零電壓零電流開關(guān)，所以開通、關(guān)斷損耗和容性損耗為

則主開關(guān)管S的總損耗為：

2.2 輔助開關(guān)管Sa的損耗分析

1）通態(tài)損耗：

2）開關(guān)損耗

因?yàn)檩o助開關(guān)管式零電流開通，零電壓零電流關(guān)斷，所以有開通損耗

3）容性開通損耗：

則輔助開關(guān)管總損耗為

2.3 續(xù)流二極管VD（FRD）的損耗分析

在該型變換器中，續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷，零電壓開通。所以有

1） 通態(tài)損耗：

2.4 輔助二極管VD1的損耗分析

3 結(jié)論

通過本文的分析計(jì)算，得出了ZCZVT-PWM型SEPIC電路的損耗計(jì)算公式，為進(jìn)一步研究該型電路拓?fù)涞能涢_關(guān)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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Loss Analysis of ZCZVT-PWM SEPIC Converter

Luv Qing1, Wang Lu2, Wang Haojiang3, Gao Wei4

(1. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, China; 2. The Naval Equipment Research Institute, Beijing 100082; 3. No.704 Institute in CSSC, Shanghai 200083; 4. The Electricity Engineering School in NUE, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）12-0017-03

2013-03-04

呂青（1965-），男，研究生，高級(jí)講師。研究方向：電力電子技術(shù)。