新型两相零电压转换PWM变换器的研究

摘要：把零电压转换技术和多相变换技术相结合就可获得一簇新型多相零电压转换PWM变换器。这些变换器具有高性能和高功率密度。主要分析了两相Boost零电压转换PWM变换器的工作原理和特性，并给出了占空比D>0.5时的谐振元件参数的设计和仿真结果。

关键词：零电压转换；多相变换器；高功率密度

1 概述

通过提高开关频率可获得高性能和高功率密度功率变换器，但传统的硬开关PWM变换器工作在高频时开关损耗很大。因此，硬开关PWM变换器的应用具有局限性。为此，人们提出了用软开关技术来减小开关损耗，大多数软开关变换器是以大幅度地增加开关器件的电压或电流应力为代价来降低开关损耗的，这导致开关器件的导通损耗显著增加。在零转换PWM变换器^[1]中，辅助电路在很宽的输入电压和负载变化范围内以最小的电压和电流应力为主开关管提供零电压开关，这使得ZVTPWM变换器在中大功率场合得到广泛应用。

获得高性能和高功率密度功率变换器的另一种方法是采用多相技术。输入电感交错工作时，对于n相变换器来说，输入和输出滤波电容的工作频率提高了n倍，因此，使输入和输出滤波器中电容保持很小的电流纹波；并且可以获得良好的动态性能。如果将ZVT和多相变换技术结合起来，就可以得到更好的动态性能和更高功率密度的功率变换器。简单地将多相技术和ZVT变换器结合起来的ZVT多相变换器是非常复杂的。因为一个n相的ZVT变换器需要n个辅助电路。几种基本的两相ZVT PWM变换器^[2]如图1所示。这些变换器中只包含了一个有源开关的辅助电路通过n个二极管交替地为所有相的主开关管提供零电压开通条件。本文主要分析了两相Boost ZVT PWM变换器的工作原理和特性，并给出了占空比D>0.5时的仿真结果和谐振元件参数的设计。

2 工作原理

两相Boost ZVT PWM变换器如图1（c）所示。

在进行讨论之前，作如下几点假设：

——所有元器件都是理想的；

——输入滤波电感足够大，故在一个开关周期中，电压源V_in及输入滤波电感L_f1，L_f2可用一恒 值 电 流 源I_in1，I_in2代 替 ；

— —输 出 滤 波 电 容 足 够 大 ， 故 在 一 个 开 关 周 期 中 ，C_f，R₁可 用 一 恒 值 电 压 源V_o代 替 。

(a) Buck

(b) Buck- Boost

(c) Boost

(d) Cuk

图1 基本的两相ZVTPWM变换器

2.1 D>0.5时的工作原理

设初始状态为主功率开关管S₁及辅助开关管S_r均为关断状态，主功率开关管S₂和升压二极管D₁处于导通状态。v_c1(t₀)=V_o，i_Lr(t₀)=0，v_c2(t₀)=0。

图2为各主要变量的理论稳态波形图，图3为该变换器在半个开关周期中的不同开关状态下的等效电路。各开关状态的工作情况描述如下。

图2 D >0.5时 的 各 主 要 变 量 的 理 论 稳 态 波 形

(a)模 态1 (b)模 态2

(c)模 态3 (d)模 态4

(e)模 态5 (f)模 态6