改進型Boost ZVT PWM 變換器的分析與研究

陳健鑫

0 引言

基本的Boost ZVT PWM 變換器雖然實現(xiàn)了主開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，但其輔助開關(guān)管卻工作在硬開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生很大的關(guān)斷損耗。為了改善輔助開關(guān)管的工作環(huán)境，本文提出了一款改進型的Boost ZVT PWM 變換器，能實現(xiàn)輔助開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，從而降低輔助開關(guān)管的關(guān)斷損耗，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。

1 改進型Boost ZVT PWM 主電路拓撲和工作原理

1.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖1 改進型Boost ZVT PWM 變換器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖

為改善基本的Boost ZVT PWM 電路輔助開關(guān)管的開關(guān)環(huán)境，對原電路的拓撲結(jié)構(gòu)做了改進，主要在輔助支路上增加了諧振電容Ca 及其并聯(lián)的二極管D1，在主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Qa 分別增加了反并二極管DQ1和DQa。改進型Boost ZVT PWM 變換器主電路的拓撲如圖1 所示。電容Ca與電感Lr 構(gòu)成串聯(lián)諧振，而二極管D1則可以使電容Ca 的反向電壓保持為零，反并二極管DQ1導通可以實現(xiàn)主開關(guān)管Q1零電壓開通，而反并二極管DQa導通則可以實現(xiàn)輔助開關(guān)管Qa零電壓關(guān)斷，從而降低輔助開關(guān)管的關(guān)斷損耗。

1.2 電路工作原理

改進型Boost ZVT PWM 變換器的理論波形如圖2 所示。在一個開關(guān)周期中，該變換器有7 種開關(guān)模態(tài)。下面結(jié)合主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖和理論波形圖逐一給予分析。

圖2 新型Boost ZVT PWM 變換器的理論波形

1.2.1 開關(guān)模態(tài)1[t0，t1]

在t0時刻，輔助開關(guān)管Qa 開通，流過諧振電感Lr 的電流iLr從零開始上升，電容Ca 的電壓也跟著從零開始上升，輔助開關(guān)管Qa 實現(xiàn)零電流開通。隨著諧振電感Lr 的電流iLr不斷增長，流過二極管D 的電流則不斷下降。在t1時刻，iLr上升到Ii 時二極管D 上的電流減小到零，D 自然關(guān)斷，開關(guān)模態(tài)1 結(jié)束。

1.2.2 開關(guān)模態(tài)2[t1，t2]

在t1時刻，由于二極管D 關(guān)斷，諧振電感Lr 同電容Ca 發(fā)生串聯(lián)諧振，電感Lr 電流iLr和電容Ca 上電壓均繼續(xù)諧振上升。同時，諧振電感Lr 同諧振電容Cr 發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振電容Cr 開始放電，電壓下降。當諧振電容Cr 的電壓減小到0 時，主開關(guān)管Q1上的反并二極管DQ1導通，從而使主開關(guān)管Q1的電壓為零。此時開通主開關(guān)管Q1，則Q1是零電壓開通，開關(guān)模態(tài)2結(jié)束。

1.2.3 開關(guān)模態(tài)3[t2，t3]

在t2時刻之后，Lr 和Ca 繼續(xù)諧振，電感Lr 電流iLr繼續(xù)減小，電容Ca 上的電壓繼續(xù)諧振上升，反并二極管DQ1的電流繼續(xù)減小。當電感Lr 電流iLr減小到Ii，反并二極管DQ1的電流減小為0，DQ1截止（圖中陰影部分為DQ1導通），主開關(guān)管的電流從零開始上升，電感Lr 電流iLr繼續(xù)減小，電容Ca 上的電壓繼續(xù)諧振上升。當電感Lr 電流iLr減小到0 時，電容Ca 上的電壓達到最大值，Q1上電流為輸入電流Ii。此時，Lr 和Ca 繼續(xù)諧振，Ca 放電，電感Lr 電流iLr反向增加，Q1上電流繼續(xù)增加。當電容Ca 上的電壓減小到0 時，電感Lr 電流iLr為負的最大值，而Q1上電流到達正的最大值。

1.2.4 開關(guān)模態(tài)4[t3，t4]

在t3時刻，電感Lr 電流iLr通過Q1、輔助開關(guān)管Qa 的反并二極管DQa、電容Ca 上的反并二極管D1線性減小直到再次為零，Q1上電流也減小為Ii。由于輔助開關(guān)管Qa 的反并二極管DQa 導通，所以此時關(guān)斷Qa，則Qa 是零電壓關(guān)斷。開關(guān)模態(tài)4結(jié)束。

1.2.5 開關(guān)模態(tài)5[t4，t5]

該模態(tài)與基本的Boost 變換器一樣，升壓電感Lf的電流流過Q1，濾波電容給負載供電。

1.2.6 開關(guān)模態(tài)6[t5，t6]

在t5時刻，主開關(guān)管Q1關(guān)斷，升壓電感Lf開始對電容Cr進行充電，所以Q1是零電壓關(guān)斷的。電容Cr 電壓從零開始線性上升，直到電壓為Vo，此時二極管D 自然導通，開關(guān)模態(tài)6結(jié)束。

1.2.7 開關(guān)模態(tài)7[t6，t7]

該模態(tài)和基本的Boost ZVT PWM 變換器一樣，電源Vin 和升壓電感Lf給濾波電容Cf 充電，同時向負載供電。在t7時刻，輔助開關(guān)管Qa 開通，開始下一個開關(guān)周期。

2 仿真結(jié)果分析

為了驗證分析的有效性與合理性，本文利用Matlab/Simulink仿真軟件對改進型Boost ZVT PWM 變換器電路進行了仿真研究，輸入直流電壓Vin=200 V，輸出直流電壓Vo=360 V，升壓電感Lf=100 μH，濾波電容Cf=1 000 μF，輔助電感Lr=1 μH，輔助電容Ca=4 μF，諧振電容Cr=2 μF，開關(guān)頻率fs=10 kHz，主開關(guān)管的延遲時間td1=3.5 μS，主開關(guān)管的占空比D1= 44.4%，輔助開關(guān)管的延遲時間td2=0 μS，輔助開關(guān)管的占空比D2=8%。仿真波形如圖3 和圖4 所示。

從仿真波形圖中可以看出，改進型Boost ZVT PWM 變換器的主開關(guān)管能很好地實現(xiàn)零電流零電壓開通和零電壓關(guān)斷，而輔助開關(guān)管能很好地實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，有效地降低了輔助開關(guān)管的關(guān)斷損耗，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。下面對該電路在不同的輸入直流電壓時的效率進行比較。

圖3 新型Boost ZVT PWM 變換器的仿真波形

圖4 主開關(guān)管的電流和電壓波形

（1）輸入直流電壓Vin=200VDC，主開關(guān)管的占空比D=44.4%時，其效率η=91.7%。

（2）輸入直流電壓Vin=220VDC，主開關(guān)管的占空比D=38.6%時，其效率η=95%。

（3）輸入直流電壓Vin=250VDC，主開關(guān)管的占空比D=30%時，其效率η=96%。

從上面的比較可以看出，隨著輸入直流電壓的升高，新型Boost ZVT PWM 變換器的效率也隨著上升。

3 結(jié)論

本文分析了改進型Boost ZVT PWM 變換器的基本原理，得出它的理論波形，并對其進行仿真分析，仿真波形基本與理論波形相同。因此該變換器的主開關(guān)管能很好地實現(xiàn)零電流零電壓開通和零電壓關(guān)斷，而輔助開關(guān)管能很好地實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，有效地降低了輔助開關(guān)管的關(guān)斷損耗，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。總的來說，該電路的效率跟基本的Boost ZVT PWM 變換器的相比，有了較大的提高。