新型ZVZCT软开关PWM变换器的研究

摘要:提出一种新型的ZVZCT软开关PWM变换器,主开关管电压电流为互相错开的梯形波(4个零、4个斜坡)，辅助管为零电流通断，特别适用于以IGBT为开关器件的高压大功率场合。通过理论分析、参数选择、电路仿真和实验结果对该变换器加以说明。

关键词：ZVZCT软开关变换器

A Study of NovelZVZCTSoft－ SwitchingPWMConverters

Abstract:The paper presents a novel ZVZCT soft－ switchingPWMconverter: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

　　在高压、大功率应用场合，功率器件承受的电压、电流应力大，开关损耗高。在传统的设计中通常选用较大容量的开关器件辅以吸收电路，但开关频率难以提高。为解决这些问题，近年来提出了许多软开关技术，这些软开关技术在实现开关电源的小型化、轻量化和低成本中起着重要的作用。在大功率场合比较成功的软开关技术能减小开关损耗、降低开关应力和EMI，提高工作可靠性。在利用辅助电路构成的软开关变换器中，尽管辅助管的开关损耗相对主电路较小，但若辅助管也采用IGBT以适应高电压、大功率的输出要求，则辅助管软换流通断也极为重要了，而且从可靠性和降低EMI角度考虑，辅助管也应该采用软开关技术。文[1]（ZVT）接通损耗减小了，开关应力也小了，但主管和辅助管都是硬关断，在大功率场合占开关损耗主要部分的关断损耗并没有明显减小。文[2]（ZCT）主管虽为零电流关断，但辅助管是硬关断，也不适合于大功率场合。本文提出了一种新型的ZVZCT软开关PWM变换器——主开关管电压电流为梯形波，相互错开，即有2个平顶、2个平底和4个零、4个斜坡，辅助管为零电流通断，适用于高电压、大功率场合。

2工作原理与理论分析

　　图1为新型软开关拓扑，图2为其工作波形，图1中电感L1、L2构成一个耦合电感，在分析过程中用一个电流源和一个电压源等效，其漏感Lk可视为谐振电感LR1的一部分。为简化分析，假设滤波电感LF足够大，输入可看作一个恒流源，滤波电容足够大，输出可看作一个恒压源。图3所示，一个开关周期由八个工作状态组成：

　　（1）T0－T1：T0之前，主开关S1和辅助开关S2、S3均关断，整流二极管D导通。在T0时，辅助管S3导通（零电流），谐振电感LR1线性充电性Ii/2(Ii为滤波电感电流)，整流二极管零电流关断，线性充电时间

　　（2）T1－T2：T1时iD=0，整流二极管D关断，LR1通过S3与C1发生谐振，同时耦合电感副边L1的电流通过D2流到负载，辅助开关承受较小的电流。

图1新型ZVZCT软开关电路拓朴

图2新型软开关PWM变换器的工作波形
S1—主管S1脉冲S3—辅助管S3脉冲
S2—辅助管S2脉冲VDS—主管漏源电压
IS—主管漏极电流iLR1—电感LR1电流
iRL2—电感LR2电流VD—主二极管电压
ID—主二极管电流IS2—辅助管S2漏极电流
IS3—辅助管S3漏极电流

C1放电直到T2时VC1=0，此时ωT12=π,，

T2=T1＋T12。（3）T2－T3：T2时，VC1=0，反并二极管导通，此时给主开关管S1加上触发脉冲，S1零电压零电流接通，，谐振电感中能量反馈到负载，谐振电感电流iLR1线性放电。当时，iLR=0，此时关断辅助开关管S3可使辅助管零电流关断，T3=T2＋T23。

　　在S3导通期间，除了上述几个过程外，还有以下两种状态：

　　①T0－T30期间LR2通过D5、S3与C2、C3发生谐振。

　　②T30－T3期间LR2通过D5、S3、D7与C2发生谐振。

　　（4）T3－T4：T3以后，iLR1=0，iLR2=0，流过S3的漏源电流为零，因此以后关断S3均可使S3实现零电流关断，而且在T3时主开关管S1的漏源电流达到滤波电感LF的电流Ii，电路恢复到传统的PWM工作状态。

　　（5）T4－T5：T4之前，主开关S1导通，C2电压已充电到－Vc2max。取C2=C3=C，则。谐振电流iLR2迫使开关管S1的漏源电流iDS=Ii－iLR2以正弦规律减小，当ωt=π/2时，达到最大值，从该式可以看出，为了获得零电流关断，,当主开关管电流降为零时，它的反并二极管导通，此时关断主管可实现零电流零电压关断。此段时间间隔：,T5=T4＋T45

　　（6）T5－T6：主开关管S1关断后，电感电流Ii对C2、C3继续充电，当VC3=V0时，D6导通，LR2、C2通过D6、D继续谐振，直到iLR2=0时D1截止，停止谐振。

图3八个不同工作状态的等效电路