一種新穎的零電流轉(zhuǎn)換Boost變換器分析-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯一種新穎的零電流轉(zhuǎn)換Boost變換器分析-技術(shù)方案摘要:提出了一種新的零電流轉(zhuǎn)換Boost變換器，通過在電路中增加一個輔助電路運用簡單的控制策略。實現(xiàn)了變流器主管和輔管的零電流轉(zhuǎn)換，主管和輔管的電流應(yīng)力較傳統(tǒng)的改進型零電流轉(zhuǎn)換開關(guān)電路有明顯減小，有效地減小了導(dǎo)通損耗，同時也實現(xiàn)了輸出二極管的軟換流，解決了二極管反向恢復(fù)的問題，效率明顯提高，詳細(xì)分析了該變流器的工作原理，然后通過Saber仿真驗證該模型。

0引言

由于絕緣柵雙極晶體管(Insulated-GateBipolarTransistor，IGBT)能夠承受高電壓、高電流，因此，常用于功率因數(shù)校正(PouerFactorCorrection，PFC)電路、高功率轉(zhuǎn)換器。然而，由于少數(shù)載流子的存在使其有嚴(yán)重的電流拖尾現(xiàn)象，這會導(dǎo)致極大的關(guān)斷損耗，從而限制了開關(guān)頻率，并使轉(zhuǎn)換效率降低。因此，必須選用一種合適的軟開關(guān)技術(shù)以避免這些問題。

為了實現(xiàn)相對較低的傳導(dǎo)損耗和良好的可控性，零電流過渡(零電流轉(zhuǎn)換)被認(rèn)為是一種很好的選擇。雖然，以前有很多針對少數(shù)載流子器件IGBT的零電流轉(zhuǎn)換的方案，但是其仍然存在輔助開關(guān)管硬開關(guān)，以及需要更復(fù)雜的諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1傳統(tǒng)ZCTBoost變換器

2個傳統(tǒng)的零電流轉(zhuǎn)換(Zero-CurrentTransition，ZCT)Boost如圖1所示。圖1(a)保證主開關(guān)零電流關(guān)斷。但是，存在的問題包括主開關(guān)管不是零電流開通、輔助開關(guān)是硬開關(guān)和升壓二極管存在反向恢復(fù)問題。圖1(b)顯示了其他傳統(tǒng)零電流轉(zhuǎn)換升壓轉(zhuǎn)換器。它結(jié)構(gòu)簡單，但輔助開關(guān)管硬開關(guān)是這類變換器的主要缺點。

本文提出一種新型的基于PWM的ZCTBootDC/DC變換器。通過增加一個輔助開關(guān)管VT2，一個諧振電感Lr、一個諧振電容Cr和一個輔助二極管構(gòu)成ZCT單元，使得該變換器能在不增加電壓、電流應(yīng)力的情況下實現(xiàn)主管的ZCS，同時輔管也工作于ZC狀態(tài)，并實現(xiàn)了輸出二極管軟換流，大大降低了電路的導(dǎo)通損耗。本文將分析該變換器工作原理，并通過一個100kHz的試驗仿真模型驗證該電路的可行性。通過Saber仿真，給出了各主要元器件的波形，和理論分析基本一致。

1新型變換器工作原理分析

本文提出的改進型ZCTk-Boost變換器原理電路如圖2所示。該變換器中的輔助單元由一個輔助開關(guān)管VT2，一個諧振電感Lr，一個諧振電容Cr一個輔助二極管構(gòu)成一個ZCT單元組成。為便于分析該ZCTBoost的工作原理，假設(shè):在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，①輸入電感Lin足夠大，輸入電流可視為恒定不變;②輸出電容足夠大，輸出端可用一恒壓源代替;③所有器件都是理想的;④變換器工作于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2改進ZCTBoost變流器

電路工作時的各個工作模態(tài)的等效電路和理論波形分別如圖3、圖4所示。該電路在一個工作周期內(nèi)可分為7個工作模態(tài)，詳細(xì)分析如下:

圖3各個工作模態(tài)等效電路圖

圖4主要電壓電流波形圖

(1)模態(tài)0:［0～t0］。在t0時刻之前，VD1、VD2導(dǎo)通，其余開關(guān)管關(guān)斷，諧振電容上電壓充至輸出電壓Uout，諧振電感電流大小等于輸入電流。

(2)模態(tài)1［t0～t1］。t0時刻，VT1開通，諧振電感的存在，主開關(guān)是零電流開通。流經(jīng)VD1、Lr、VD2的電流線性緩慢減小到零，而使2只二極管零電流關(guān)斷，相反流過VT2的電流呈線性增加到輸入電流Lin;此模態(tài)所需時間:

(3)模態(tài)2［t1～t2］。t1時刻，該模態(tài)與基本的Boost變換器工作情況一樣，所需時間由占空比確定。

(4)模態(tài)3［t2～t3］。t2時刻，為了使VT1軟關(guān)斷，VT2開通固定的時間。當(dāng)VT2開通，Cr、Lr諧振，由于VT1不在諧振回路，因此，主開關(guān)管VT1的電流應(yīng)力沒有增加。經(jīng)過半個諧振周期，Cr電壓反向，VT2電流為零，而為零電流關(guān)斷VT2提供了條件。此模態(tài)持續(xù)的時間為

(5)模態(tài)4［t3～t4］。t3時刻，經(jīng)過半個諧振周期后，Lr電流反向流過VT1、VD1、Lr、Cr。因此，在此模態(tài)，VT1電流呈正弦減小到零。流過VT1電流:

軟開關(guān)實現(xiàn)還必須滿足以下關(guān)系:U0/Zr≥Iin所需時間:

(6)模態(tài)5［t4～t5］。t4時刻，當(dāng)VT1的反并二極管開始導(dǎo)通，則VT1能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷，此模態(tài)所占時間:

(7)模態(tài)6［t5～t6］。t5時刻，輸入電流通過VD1、Lr對諧振電容Cr充電，此模態(tài)時間如下:

(8)模態(tài)7:［t6－t0～T］。t6時刻，當(dāng)諧振電容電壓達(dá)到輸出電壓Uout，VD2開始導(dǎo)通，此模態(tài)開始持續(xù)到下一個開關(guān)周期。

2參數(shù)設(shè)計

2.1諧振元件(Cr、Lr)

根據(jù)式(6)，且考慮20%的裕量，改寫為如下關(guān)系:

諧振周期應(yīng)該遠(yuǎn)小于開關(guān)周期，一般選擇諧振頻率為開關(guān)頻率的10倍。

2.2開關(guān)管(VT1、VT2)

開關(guān)電壓電流應(yīng)力如下

2.3二極管(VD1、VD2)

2.4Lin、Cout

2.5控制策略

控制方式可選擇峰值電流、平均值電流或單周期控制方法，為了觸發(fā)輔助開關(guān)管導(dǎo)通，則需要一個或門，一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時間由上式可以計算出其值必須等于0.75Tr。

3仿真結(jié)果

為驗證理論分析的可行性，通過Saber仿真給出各個主要元件的波形。在仿真中輸入直流電壓Uin=15V，輸出平均電壓Uout=37.5V，△Uout=200mV，輸出平均電流Iout=1.25A，開關(guān)頻率:100kHz，利用上述軟開關(guān)條件計算出其他參數(shù):Lin=200μH，Lr=1μH，Cr=35nF，Cout=40μF在上述參數(shù)下利用Saber軟件對ZCTBoost軟開關(guān)變換器進行仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5仿真波形

從圖5可看出:該拓?fù)鋵崿F(xiàn)了主開關(guān)管VT1ZCS，ZVS開通斷，輔助開關(guān)管VT2是ZCS通斷，并有效抑制了整流二極管的方向恢復(fù)問題。仿真結(jié)果與理論分析一致。由于仿真模型很難和現(xiàn)實電路完全一致，因此，仿真的性并不高，但是基本