软开关技术在DC/DC变换器中的应用方案

软开关技术在DC/DC变换器中的应用方案

       1引言

       近几年来，随着软开关技术在DC/DC变换器中的应用日趋成熟，变换器的工作频率提高了，磁性元件以及电容的体积减小了，变换器的功率密度也随之提高了。自80年代初美国VPEC(VirginiaPowerElectronicCenter)的李泽元教授提出了软开关技术的概念后，软开关技术在DC/DC变换器中的应用已分别经历了谐振开关阶段、准谐振阶段以及软开关PWM阶段。其中前两个阶段共有的两大缺陷是：

　　(1)谐振元件处于功率传输的主电路中，使得开关器件的电压、电流应力增大;

　　(2)输出电压与开关频率有关，必须采用调频控制，因此不利于输入、输出滤波器的设计。

　　零过渡PWM技术出现后，受到人们广泛的重视。零过渡PWM变换器的主要优点是：

　　(1)保留了PWM技术的优点，实现了恒频控制;

　　(2)谐振元件与主开关并联，不参与功率传输，因此使主开关的电压、电流应力大大减小了;

　　(3)与以往的软开关变换器相比，能实现零开关条件的电源电压、负载变化范围更宽。

　　文献1提出的两相ZVT(Zero?Voltage?Transition)PWMDC/DC变换器是多相技术与零电压过渡PWM技术相结合的产物。由于使用了多相技术，减少了输出电流的纹波，相对地增大了输出功率。该电路的主开关是零电压开通的，主续流二极管是零电流关断的。

　　本文针对两相ZVT?PWMBuck变换器拓扑结构的特点和工作原理，推导了电压变换比、主开关零电压开通条件等公式，并给出了辅助谐振电路元件参数选取的依据。仿真和实验结果验证了推导的正确性和参数设计的可行性。

　　2新型两相ZVT?PWM变换器的拓扑结构及

　　工作原理

　　图1所示为此变换器的拓扑结构。对这种Buck型两相ZVT?PWM变换器而言，当一个主续流二极管导通时，辅助电路开始工作，为相应相的开关器件提供零电压开通条件。为了使辅助电路有高的工作效率，当辅助电路开始工作时，某一相的有源开关应该处于导通状态。换句话说，占空比D应大于0?5。否则，如图1中所示的辅助电路处理的功率约为D>0?5时的两倍，因而增大了辅助电路的损耗。因此，这种两相ZVT?PWM变换器适用于需要电压变换比高于0?5的场合。图2所示为该电路在D>0?5时的主要波形。鉴于以上原因，以下主要对D>0?5时的工作原理以及电路特性做详细的分析。

　　图1两相ZVT?PWMBuck变换器

　　D>0?5时，两相ZVT?PWMBuck变换器的工作原理如下：t0时刻，主开关S1关断，谐振电容C1以I01大小的电流放电，使谐振电容C1上的电压线性下降。t1时刻，主续流二极管D1两端电压vD1降到0，D1开始续流。t2～t3阶段，谐振电流线性上升阶段。t2时刻，辅助开关Sr开通，谐振电流iLr流经Dr1，并以Vs/Lr的斜率增大。t3时刻，iLr开始大于I01，主续流二极管D1断开，谐振电感Lr与谐振电容C1开始谐振。谐振电容C1两端的电压以正弦规律上升，直到上升到Vs，被主开关S1的反并联二极管钳位在Vs，为主开关S1创造零电压开通的条件。t4～t5恒流阶段，由于谐振电感Lr两端的电压被主开关S1的反并联二极管钳位为零，因此谐振电感Lr中的电流保持恒定。在此阶段中的任意时刻开通主开关即为零电压开通。但在辅助开关关断且谐振电感电流下降到I01之前，主开关中并没有电流流过。t5时刻，辅助开关关断，辅助回路续流二极管Dr导通，谐振电感电流开始下降，直到下降到负载电流I01时，主开关S1中才开始有电流流过。t6时刻，主开关S1的电流由零开始线性上升，谐振电感Lr中的电流继续线性下降，直到t7时刻下降到零。在t7～t8阶段，由主开关S1和S2同时为负载提供能量。

　　3电路主要特性

　　假设电路元件均为理想元件，且输出滤波电感LO1、LO2足够大，可近似看为恒流源。但在实际的电路中输出电流难免有纹波，这样IO就会有一部分电流被CO分流，因此设流过负载电阻RO的电流IRO=IO×p(0

　　3?1电压变换比

根据电感在稳态时的伏—秒平衡特性(VLdt=0)，可推导出D>0?5时该变换器的电压变换比M为：

M=(1)

　　式中：F=fr/fs;

　　RO为负载电阻;

Zr=，为谐振特征阻抗;

　　ta*=ta·fr=ta/Tr。

其中：fr=1/Tr=1/2π;

　　fs=1/Ts为开关频率;

　　ta的含义如图2中所示。

　　当D≤0?5时，电压变换比可近似地用下式表示：(推导从略)

(2)

　　式中：Taux为辅助开关的导通时间。

　　3?2主开关零电压开通的条件

　　为了能使主开关在零电压条件下开通，谐振电容的电压需在主开关开通信号到来时上升到Vs，即辅助开关需提前主开关一定的时间导通，为主开关创造零电压开通条件。

TL≥Δt3+Δt4=(3)

　　图2D>0?5时的主要波形