零转换PWMDC/DC变换器的拓扑综述

摘要：零转换PWMDC/DC变换器是器件应力较小、效率较高的1种DC/DC变换器结构，应用较为广泛。介绍了近几年出现的几种新颖的零转换PWM变换器的拓扑结构，重点分析了它们的工作原理，比较了它们的优缺点。

关键词：零转换PWM变换器；ZVT-PWM；ZCT-PWM，ZCZVTPWM

1 引言

为了减小功率变换器的体积、重量和开关损耗，提高开关频率和工作效率，在DC/DC变换器中常采用软开关技术，以实现主开关管的零电压（零电流）开通或关断。具体的方法有4种：零电压准谐振变换器（ZVS-QRC），零电压多谐振变换器（ZVS-MRC），ZVS-PWM变换器和零转换PWM变换器。

一般而言，ZVS-QRC变换器^[1]电压应力较大，且电压应力与负载变化范围成正比；ZVS-MRC变换器^[2]也具有较大的电压应力和电流应力；ZVSPWM变换器^[3]则因串联谐振网络而导致大的导通损耗。而零转换PWM变换器则不同，它克服了前面3种结构的缺点，电路性能大为改善。其电路结构的特点在于，它的谐振网络与主开关管并联；在开关转换期间，谐振网络产生谐振，获得零开关条件；在开关转换结束后，电路又恢复到正常的PWM工作方式。这种电路结构给其带来了4个方面的优点：

1)功率开关器件工作在软开关条件下，承受的电压、电流应力较低；

2)在整个输入电压和负载范围内，都能较好地保持零电压特性；

3)辅助谐振网络并不需要处理很大的环流能量，因此电路的导通损耗较小；

4)采用PWM控制方式，实现了恒频控制。

由于零转换PWM电路的突出优点，使其得到了广泛研究和应用。最近几年里，出现了许多新的零转换PWM拓扑结构，其中以ZVT-PWM变换器的一些改进、ZCT-PWM变换器、以及ZCZVT-PWM变换器等几种特色比较突出。本文将对这几种拓扑结构作简要介绍，重点分析它们的工作原理，并剖析它们的优缺点。

2 ZVT-PWM变换器及其改进

2.1 普通的ZVT-PWM变换器

图1所示是文献[4]提出的普通Boost ZVT-PWM变换器的拓扑结构。它在主开关管S之上，并联了一个由谐振电容C_r（其中包含了主开关S的输出电容和二极管D的结电容）、谐振电感L_r、辅助开关S₁及二极管D₁组成的辅助谐振网络。

图 1 普 通ZVT- PWM变 换 器

在每次S导通前，先导通S₁，使辅助谐振网络谐振。当S两端电容电压谐振到零时，导通S。当S完成导通后，立即关断S₁，使辅助谐振电路停止工作。之后，电路以常规的PWM方式运行。该拓扑结构在不

增加电压/电流应力的情况下，实现了S的零电压导通和D的零电流关断。但由于S₁是在大电流（接近谐振峰值电流）下关断、大电压（接近输出电压）下开通，S₁处于一种非常不好的硬开关环境。

为了解决普通ZVT-PWM变换器的以上缺点，近几年中人们提出了几种改进的ZVT－PWM变换器拓扑结构，它们均实现了主开关管和辅助开关管的软开关，减少了开关损耗。下面对这几种改进结构分别予以介绍。

2.2 改进拓扑之一

图2所示为文献[5]提出的一种新颖的ZVT-PWM变换器拓扑。与图1的普通ZVT-PWM Boost变换器相比，该改进的拓扑只是在辅助谐振网络中增加了一个电容(C_B)和两个二极管（D_r，D₂），但却同时实现了主开关管S₁和辅助开关管S₂的软通断，以下对其工作过程进行分析。

图 2 改 进 的ZVT- PWM变 换 器 拓 扑 之 一

在分析中作如下假定：

1）输入电压V_i为常数，主电感L_f足够大，输入电流I_i为常数；

2）输出电容C_f足够大，输出电压V_o为常数；

3）谐振电路是理想的；

4）谐振电感L_rL_f

5）忽略半导体器件的电压降和寄生电容；

6）忽略D_r及其它二极管的反向恢复时间。

设初始状态为：S₁及S₂均为关断状态，输出整流二极管D处于导通状态。i_s1=0，i_s2=0，i_D=I_i，v_Cr=V_o，v_CB=0。电路在稳态时，每个开关周期的工作过程可分为7个模态，相应的主要波形如图3所示。

图 3 工 作 过 程 波 形

模态1(t₀－t₂) 在t₀时刻，S₂导通，i_D线性下降，i_s2线性上升，在t₁时刻，i_s2上升到I_i，i_D下降到0，随后i_s2继续上升，iD反向通过恢复电流，直到t₂时刻，i_D达到最大反向恢复电流－I_rr，这时流过S₂和L_r的电流为I_i＋I_rr，该模态结束；

模态2(t₂－t₃) 在t₂时刻，D关断，L_r，C_r开始谐振，直到C_r放电到0，转到模态3；

模态3(t₃－t₄) 在t₃时刻，D_s1自然导通，为S1创造ZVS条件；

模态4(t₄－t₅) 在t₄时刻，在零电压下导通S₁和关断S₂，D₁导通，L_r，C_B开始谐振，直到i_Lr=0，该模态结束；

模态5(t5－t₆) 该模态类似于普通PWM Boost变换器的开通状态；

模态6(t₆－t₇) 在t₆时刻，S₁关断，输入电流I_i给电容C_r充电，同时C_B放电，直到V_Cr=V_o，该模态结束；

模态7(t₇－t₈) 该模态类似于普通PWM Boost变换器的关断状态，直到t₈时刻，进入下一个开关周期。

可见，该拓扑结构实现了S₁和D在零电压下导通和关断，S₂在零电流下导通和零电压下关断，两个开关管都是软通断，克服了普通ZVT-PWM变换器的辅助开关管为硬通断的缺点，减少了关断损耗。