一族新穎的ZCS

1、一族新穎的ZCS-PW變換器的研究摘要：分析了一個新的零電流開關(guān)（zcs單元電路的特性。基于這個 zcs的單 元電路，構(gòu)建了一個新的ZCS的Boost電路，并對他們的工作機理進行了分 析，而且在這個ZCS單元電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建出更多的 ZCS變換器。實驗和仿真 結(jié)果驗證了理論分析。關(guān)鍵詞： 單元電路；零電流開關(guān)；升壓電路；變換器0 引言在中功率開關(guān)變換器中，為了提高功率密度，通常都采用提高開關(guān)頻率的 方式。但是隨著頻率的提高，開關(guān)損耗也增加，因此必須采用軟開關(guān)技術(shù)來降 低開關(guān)損耗。準(zhǔn)諧振變流器可以工作在高開關(guān)頻率和軟開關(guān)狀態(tài)下。但是，這 一類零電流開關(guān)諧振技術(shù)也受到大電流、高電壓或者頻率調(diào)制的影

2、響?？梢栽?諧振電路中增加輔助開關(guān)和輔助的無源元件 , 實現(xiàn)恒頻控制，降低電流和電流應(yīng) 力。但是，這一類電路的主要缺點就是主開關(guān)的電流應(yīng)力比較高，導(dǎo)通損耗較 大。本文提出一種新的ZCS-PW單元電路。通過將諧振回路按照不同的方向分 開，從而強制諧振電流不在所有的開關(guān)器件中流通，以降低電流應(yīng)力。1新型ZCS-PWI工作機理分析圖1所示為傳統(tǒng)的ZCS-PW變換器的基本單元及其對應(yīng)的 ZCS-PWM Boost 變換器。為了降低主開關(guān)管的電流應(yīng)力，如圖 2 所示，在傳統(tǒng)單元電路的基礎(chǔ) 上，增加了輔助二極管DSi和CS2,在一個諧振周期中，諧振回路被分開了。只 有半個周期的諧振電流流過每個開關(guān)管，因此

3、減輕了S和S的電流應(yīng)力。圖3是在圖2所示單元的基礎(chǔ)上構(gòu)建的ZCS-PWM Boos變換器。圖4所示為圖3所 示 Boost 電路的主要仿真波形。圖 5 所示為該電路在一個工作周期中的各個工 作狀態(tài)。變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的各個工作模態(tài)分析如下。圖1傳統(tǒng)ZCS-PW電路和Boost變換器圖2改進后的ZCS-PW單元電路圖3基于新單元電路的ZCS- PWM Boost變換器圖4圖 3 中所示電路的電流電壓仿真波形(a) 模式 1(t 0前)t 2 )(b)模式 2 (tti)(c)模式 3 (ti(d)模式 4 ( t2 t3)(e) 模式 5( t 3 t 4)(f) 模式 6( t 4 t 5

4、)(g) 模式 7( t 5 t 6)圖5電路在一個開關(guān)周期的各種工作模式1) 0t主開關(guān)Si斷開，D導(dǎo)通，輸入電壓Vn經(jīng)輸入電感Li向負(fù)載傳遞 能量。2) totiSi導(dǎo)通，電流由D轉(zhuǎn)向Si, Si電流以V0/ Lr的速度增長。因為Lr 存在， Si 是零電流開通。3) tit2Si、D電流轉(zhuǎn)換結(jié)束，Li由Vn充電儲能。4) t 2t3在t 2時刻，輔助開關(guān)S2導(dǎo)通，由C和Lr構(gòu)成諧振電路，當(dāng)諧振 進行到i/2周期時，C上的電壓等于Vn，流經(jīng)S2中的電流is2為0。因為DS2的 存在,S2為零電流關(guān)斷。5) t3t4在下半個諧振周期開始時，諧振電流流經(jīng) Si和DSi，流經(jīng)S的電 流i si開

5、始減小。6) t4t5當(dāng)流經(jīng)DSi的諧振電流大于lin時，S的體二極管導(dǎo)通，S實現(xiàn)零 電流關(guān)斷。7) t5t6當(dāng)諧振電流減小至lin時，Si的體二極管關(guān)斷，Li以恒流lin對C 進行充電，當(dāng)C上的電壓達(dá)到Vn + Vo時，DSi關(guān)斷。之后，又開始下一個周期的工作。新的ZCS-PWM Boos變換器族基于前面提出的ZCS-PW單元電路和Boost變換器，按照單元電路在Boost電路中不同的位置構(gòu)建不同 ZCS-PWM Boos變流器。圖6所示的Boost 電路就是由圖3所示的Boost電路衍生出的一族ZCS-PWM Boos電路。圖6中 所示的單元電路的工作機理同樣也可以用上述方法進行分析。通過

6、分析可以看 出，這 4 個結(jié)構(gòu)的工作步驟與圖 3 類似，通過在 Boost 電路上增加新型的輔助 電路，在一個諧振周期中，把諧振回路分成兩個部分，這樣流過每個開關(guān)管的 諧振電流只有半個周期，因此減輕了 S和S2的電流應(yīng)力，同時也減小了整個電 路的損耗。因為這些電路都是基于 Boost 電路進行構(gòu)架，而且僅僅在結(jié)構(gòu)上有 所不同，電路整個周期的工作原理相同，于是把這 5 個電路歸納為同一族 ZCS- PWM Boost電路。(a) 衍生電路之 1(b )衍生電路之 2(c)衍生電路之3(d )衍生電路之4圖6帶有一個電感的 ZCS-PWM boos轉(zhuǎn)換器3實驗結(jié)果為了驗證理論分析，進行了實驗。按照

7、圖 3 中提出的 Boost 變換器，構(gòu)建 了一臺1kW的DC/DC樣機。輸入為DC 90150V,輸出為DC 375V 開關(guān)頻率為 95kHz。如圖7所示，在輸入電壓為90V時所測得的電流波形與圖4的仿真波形 相吻合。圖 7 中所示的流經(jīng)開關(guān)的電流波形和整流二極管的電壓波形，與驅(qū)動信號相吻合。樣機的效率如圖 8 所示。為了說明新的變換器的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的(a) vgs2 與 i gs2 波形形ZCS-PW變換器（圖1）進行了比較。(b) Vgsl 與 i gsl 波(C)i D1與Vdi波形圖 7 實驗波形圖 8當(dāng)輸入為 150V 時傳統(tǒng)電路和改進電路的效率表1為主要器件的參數(shù)，在滿負(fù)載情況下，改進型 ZCS電路的效率提高了 1.5 。表 1 為電路中所使用的器件列表。表1電路中的主要元器件改進電路傳統(tǒng)電路1 SIRG4PC50S2IRG4PC40Lr14卩HCr22 nFDsiMUR860/Ds2MUR860/D2X MUR860 seriesconnection4結(jié)語本文介紹了一族新型的單元電路。此單元電路能夠降低流過器件的諧振電流，從而降低了開關(guān)管的導(dǎo)通電流。在此ZC