交錯并聯有源箝位ZVS-PWM正激變換器的分析與設計

1 引言
目前，大部分大功率DC-DC變換器主要采用全橋(FB)ZVC-PWM變換器。這種變換器控制策略簡單，并且具有ZVS軟開關與PWM硬開關的優點，從而避免了在第一模式下的換流損耗和在第二模式下的開關頻率不恒定與較高的導通損耗。然而，這種傳統的FB-ZVS-PWM變換器并不適合高電壓輸入變換器。文中提出了由2個有源箝位ZVS-PWM正激變換器通過變壓器耦合的變換器-交錯并聯有源箝位ZVS-PWM正激變換器。

2 電路穩態原理
圖1示出交錯并聯有源箝位ZVS-PWM正激變換器的工作原理。假設電路工作在穩態，所有元件均為理想元件，輸出濾波電感Lo足夠大，可以看做是值為Io的電流源。諧振電感Lrl=Lr2=Lr；箝位電容CC1=CC2=CC；諧振電容Crl=Cr2=Cr；變壓器漏電感被Lrl、Lr2吸收；Vl=V2=Vi；主開關管S1，S2與輔開關管S3，S4占空比相同。圖2示出變換器在半個周期的開關模態，圖3示出每個開關模態的主要波形。

2.1 開關模態1(t0-t1)
如圖2(a)所示，此階段能量通過二種途徑傳遞給負載。能量從輸入V1通過Sl傳遞給負載；當CC2通過S4放電時同樣也有能量傳遞給負載。S2、S3這時處于關斷，加在S2和S3上的電壓等于加在箝位電容器CC1和CC2上的電壓。

2.2 開關模態2(t1-t2)
如圖2(b)所示，t1時刻開關管Sl零電壓關斷，電容器Cr1線性充電。當開關管Sl上的電壓達到V1、S3上的電壓達到VC-V1時，此階段結束。
2.3 開關模態3(t2-t3)
如圖2(c)所示，t2時刻，變壓器電壓為零，Cr1與Lr1開始諧振，輸出電流Io開始續流。當開關管Sl上的電壓達到VC時，此階段結束。
2.4 開關模態4(t3-t4)
如圖2(d)所示，t3時刻，二極管D3正向偏置開始導通，流過Lr1開始線性減小；同樣，流過Lr2的電流也開始線性減小。在此階段，負載電流通過Dr1、Dr2仍保持續流。開關管S3必須在二極管D3反向偏置之前導通。當開關管S4關斷時，此階段結束。
2.s 開關模態5(t4-t5)
如圖2(e)所示，當開關管S4關斷時，流過Lr2的電流方向如圖2(d)箭頭所示。電容器以諧振的方式放電，負載電流仍保持續流。當Cr2上的電壓為零、二極管D2開始導通時，此階段結束。
2.6 開關模態5(t5-t6)
如圖2(f)所示，t3時刻，二極管D2正向偏置開始導通。在此模態下S2必須導通。流過Ir2的諧振電流開始線性減小，直到為零時改變方向流過S2。當流過Lr1和Lr2的總電流為-nI時，此模態結束。

3 原理分析
3.1 箝位特性
箝位電壓與輸入電壓的比率(VC/Vi)由加在S1上的平均電壓決定。利用回路電壓方程得：

3.2 輸出特性
根據圖3示出的波形，開關管換流時間遠小于開關管導通時間，輸出平均電壓由下式給出：

式中，Vo為輸出電壓；D為占空比；Vc為箝位電壓；Tx為開關周期；n為變壓器變比(NS/NP)；△t1為沒有能量傳遞的時間。△t1在半個周期為：

3.3 換流分析
該變換器實現了軟開通和軟關斷換流。
在開通階段，在開關模態5的換流(主開關管S2開通)變換器在零負載運行時得到下式：

式中，f是開關頻率與諧振頻率的比，θon是振蕩頻率的位移角；ton是諧振電容放電時間。諧振電容Cr2放電時間由下式確定：

在關斷階段，主要分析開關模態2與開關模態3時開關管S1的關斷。當S1開通時，諧振電容器Cr2充電。同樣給出變換器在零負載下運行的公式：

4 實驗及結果
為了驗證上述分析的正確性，在實驗室完成了一臺輸出60 V/50 A、2Vi=400 V，功率為3000 W，開關頻率為100 kHz的開關電源裝置。
4.1 參數計算
設開關管為理想開關管，Dmax=0.8；△Dmax=0.2。
變壓器的變比由(6)式可得，即：

要確定諧振電容器Cr的值，首先要確定Lr與Cr的振蕩頻率，Dmin=0.65時，θoff=O.56rad，f=0.1，從式(13)可得

輸出濾波的確定與傳統全橋變換器計算輸出濾波的方法一致，當最大電流紋波△ILO=5 A(10％的Io)，最大電壓紋波△Vo=0.48(0.8％的Vo)時，那么

4.2 主要元器件的選擇
主開關管Sl和S2選擇MOSFET-APT5012LNR輔助開關管S3和S4選擇MOSFET-IRFP 460；整流二極管Dr1和Dr2選擇HFA50PA60C；箝位電容CC1和CC2選擇6μF/400V；諧振電容Cr1、Cr2選擇2.7 nF/1.6 kV；Lo選21μH；諧振電感Lrl、Lr2選擇3.9μH。其電路圖如圖4所示。

4.3 實驗結果
圖5(a)和(b)為輸出功率Po=2 780 W的實驗波形。圖6、7分別為輸出特性和變換器的效率。

5 結束語
本文提出一種交錯并聯有源箝位ZVS-PWN正激變換器。分析了其輸出特性、變換器的效率及箝位特性。實驗得到的波形和實際運行情況驗證了所提出的電路拓撲具有可以在開關管之間獲得較好的分壓、導通損耗小、使變壓器漏電感產生的開關管上的尖峰電壓減至最小、效率高等優越性。