新型兩相零電壓轉換PWM變換器的研究

摘要：把零電壓轉換技術和多相變換技術相結合就可獲得一簇新型多相零電壓轉換PWM變換器。這些變換器具有高性能和高功率密度。主要分析了兩相Boost零電壓轉換PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時的諧振元件參數的設計和仿真結果。

關鍵詞：零電壓轉換；多相變換器；高功率密度

1 概述

通過提高開關頻率可獲得高性能和高功率密度功率變換器，但傳統的硬開關PWM變換器工作在高頻時開關損耗很大。因此，硬開關PWM變換器的應用具有局限性。為此，人們提出了用軟開關技術來減小開關損耗，大多數軟開關變換器是以大幅度地增加開關器件的電壓或電流應力為代價來降低開關損耗的，這導致開關器件的導通損耗顯著增加。在零轉換PWM變換器^[1]中，輔助電路在很寬的輸入電壓和負載變化范圍內以最小的電壓和電流應力為主開關管提供零電壓開關，這使得ZVTPWM變換器在中大功率場合得到廣泛應用。

獲得高性能和高功率密度功率變換器的另一種方法是采用多相技術。輸入電感交錯工作時，對于n相變換器來說，輸入和輸出濾波電容的工作頻率提高了n倍，因此，使輸入和輸出濾波器中電容保持很小的電流紋波；并且可以獲得良好的動態性能。如果將ZVT和多相變換技術結合起來，就可以得到更好的動態性能和更高功率密度的功率變換器。簡單地將多相技術和ZVT變換器結合起來的ZVT多相變換器是非常復雜的。因為一個n相的ZVT變換器需要n個輔助電路。幾種基本的兩相ZVT PWM變換器^[2]如圖1所示。這些變換器中只包含了一個有源開關的輔助電路通過n個二極管交替地為所有相的主開關管提供零電壓開通條件。本文主要分析了兩相Boost ZVT PWM變換器的工作原理和特性，并給出了占空比D>0.5時的仿真結果和諧振元件參數的設計。

2 工作原理

兩相Boost ZVT PWM變換器如圖1（c）所示。

在進行討論之前，作如下幾點假設：

——所有元器件都是理想的；

——輸入濾波電感足夠大，故在一個開關周期中，電壓源V_in及輸入濾波電感L_f1，L_f2可用一恒 值 電 流 源I_in1，I_in2代 替 ；

— —輸 出 濾 波 電 容 足 夠 大 ， 故 在 一 個 開 關 周 期 中 ，C_f，R₁可 用 一 恒 值 電 壓 源V_o代 替 。

(a) Buck

(b) Buck- Boost

(c) Boost

(d) Cuk

圖1 基本的兩相ZVTPWM變換器

2.1 D>0.5時的工作原理

設初始狀態為主功率開關管S₁及輔助開關管S_r均為關斷狀態，主功率開關管S₂和升壓二極管D₁處于導通狀態。v_c1(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0，v_c2(t₀)=0。

圖2為各主要變量的理論穩態波形圖，圖3為該變換器在半個開關周期中的不同開關狀態下的等效電路。各開關狀態的工作情況描述如下。

圖2 D >0.5時 的 各 主 要 變 量 的 理 論 穩 態 波 形

(a)模 態1 (b)模 態2

(c)模 態3 (d)模 態4

(e)模 態5 (f)模 態6