新型ZVZCT軟開關PWM變換器的研究

摘要:提出一種新型的ZVZCT軟開關PWM變換器,主開關管電壓電流為互相錯開的梯形波(4個零、4個斜坡)，輔助管為零電流通斷，特別適用于以IGBT為開關器件的高壓大功率場合。通過理論分析、參數選擇、電路仿真和實驗結果對該變換器加以說明。

關鍵詞：ZVZCT軟開關變換器

A Study of Novel ZVZCT Soft－ Switching PWM Converters

Abstract:The paper presents a novel ZVZCT soft－ switching PWM converter:the voltage and current waveforms of the transistor are ladder－ shaped and stagger each other, and auxiliary switches are turned on and off under zero－ curent.It is very attractive for high power application where IGBT is predominantly used as the power switches. Theoretical analysis,parameters selection,computer simulation and experiment results are presented to explain the proposed scheme. Keywords: ZVZCT Soft－ switching Converters

1引言

　　在高壓、大功率應用場合，功率器件承受的電壓、電流應力大，開關損耗高。在傳統的設計中通常選用較大容量的開關器件輔以吸收電路，但開關頻率難以提高。為解決這些問題，近年來提出了許多軟開關技術，這些軟開關技術在實現開關電源的小型化、輕量化和低成本中起著重要的作用。在大功率場合比較成功的軟開關技術能減小開關損耗、降低開關應力和EMI，提高工作可靠性。在利用輔助電路構成的軟開關變換器中，盡管輔助管的開關損耗相對主電路較小，但若輔助管也采用IGBT以適應高電壓、大功率的輸出要求，則輔助管軟換流通斷也極為重要了，而且從可靠性和降低EMI角度考慮，輔助管也應該采用軟開關技術。文[1]（ZVT）接通損耗減小了，開關應力也小了，但主管和輔助管都是硬關斷，在大功率場合占開關損耗主要部分的關斷損耗并沒有明顯減小。文[2]（ZCT）主管雖為零電流關斷，但輔助管是硬關斷，也不適合于大功率場合。本文提出了一種新型的ZVZCT軟開關PWM變換器——主開關管電壓電流為梯形波，相互錯開，即有2個平頂、2個平底和4個零、4個斜坡，輔助管為零電流通斷，適用于高電壓、大功率場合。

2工作原理與理論分析

　　圖1為新型軟開關拓撲，圖2為其工作波形，圖1中電感L1、L2構成一個耦合電感，在分析過程中用一個電流源和一個電壓源等效，其漏感Lk可視為諧振電感LR1的一部分。為簡化分析，假設濾波電感LF足夠大，輸入可看作一個恒流源，濾波電容足夠大，輸出可看作一個恒壓源。圖3所示，一個開關周期由八個工作狀態組成：

　　（1）T0－T1：T0之前，主開關S1和輔助開關S2、S3均關斷，整流二極管D導通。在T0時，輔助管S3導通（零電流），諧振電感LR1線性充電性Ii/2(Ii為濾波電感電流)，整流二極管零電流關斷，線性充電時間

　　（2）T1－T2：T1時iD=0，整流二極管D關斷，LR1通過S3與C1發生諧振，同時耦合電感副邊L1的電流通過D2流到負載，輔助開關承受較小的電流。

圖1新型ZVZCT軟開關電路拓樸

圖2新型軟開關PWM變換器的工作波形
S1—主管S1脈沖S3—輔助管S3脈沖
S2—輔助管S2脈沖VDS—主管漏源電壓
IS—主管漏極電流iLR1—電感LR1電流
iRL2—電感LR2電流VD—主二極管電壓
ID—主二極管電流IS2—輔助管S2漏極電流
IS3—輔助管S3漏極電流

C1放電直到T2時VC1=0，此時ωT12=π,，

T2=T1＋T12。（3）T2－T3：T2時，VC1=0，反并二極管導通，此時給主開關管S1加上觸發脈沖，S1零電壓零電流接通，，諧振電感中能量反饋到負載，諧振電感電流iLR1線性放電。當時，iLR=0，此時關斷輔助開關管S3可使輔助管零電流關斷，T3=T2＋T23。

　　在S3導通期間，除了上述幾個過程外，還有以下兩種狀態：

　　①T0－T30期間LR2通過D5、S3與C2、C3發生諧振。

　　②T30－T3期間LR2通過D5、S3、D7與C2發生諧振。

　　（4）T3－T4：T3以后，iLR1=0，iLR2=0，流過S3的漏源電流為零，因此以后關斷S3均可使S3實現零電流關斷，而且在T3時主開關管S1的漏源電流達到濾波電感LF的電流Ii，電路恢復到傳統的PWM工作狀態。

　　（5）T4－T5：T4之前，主開關S1導通，C2電壓已充電到－Vc2max。取C2=C3=C，則。諧振電流iLR2迫使開關管S1的漏源電流iDS=Ii－iLR2以正弦規律減小，當ωt=π/2時，達到最大值，從該式可以看出，為了獲得零電流關斷，,當主開關管電流降為零時，它的反并二極管導通，此時關斷主管可實現零電流零電壓關斷。此段時間間隔：,T5=T4＋T45

　　（6）T5－T6：主開關管S1關斷后，電感電流Ii對C2、C3繼續充電，當VC3=V0時，D6導通，LR2、C2通過D6、D繼續諧振，直到iLR2=0時D1截止，停止諧振。

圖3八個不同工作狀態的等效電路