新型ZVZCT软开关PWM变换器的研究
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 novel zvzct soft－ switching pwm converters
abstract:the paper presents a novel zvzct soft－ switching pwm converter: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
（7）t6－t7：t6以后，流过辅助管s2的漏源电流为零，此后给辅助管s2加关断信号可使s2零电流关断，而且t6以后整流二极管已完全导通，电路又回到传统的pwm工作状态。t7时辅助管s3导通，电路又重复上一个周期的工作。
3参数设计
3．1谐振网络参数的设计
（1）辅助管脉冲宽度的确定
辅助管s2的脉宽≥为主开关管s1实现零电流关断的准备时间t45＋电感lr2中能量全部释放的时间t56。辅助管s3的脉宽≥为主开关管s1实现零电压接通的准备时间（t01＋t12）＋电感lr1中能量全部释放的时间t23。
本设计中取t01＋t12=0.05t,t45=0.03t,其中t为开关周期。
（2）设置电流系数ki
irm为流过电感lr1电流的最大值。ki值大于1。
（3）设置电压系数kv
vc2max为电容c2的最高电压，kv≥1。
（4）谐振电感、电容的计算
①零电压接通过程（zvt） 由zvt的动作原理可知，主开关管是零开通损耗，关断时靠电容c1缓冲减少关断损耗，定性地说较大的c1有利于减小关断损耗，但c1越大，存储的能量c1vds2越多，c1能量再经谐振转移到lr1上使电流峰值增高，关断损耗增大。可见这部分谐振能量究竟取多大，才能使主开关管的总损耗最小是设计此电路的关键。
其中ii取电感电流最大值po/vimin,（po为输出功率），c1包括谐振电容、主管寄生电容和整流二极管的结电容。
②零电流关断过程（zct） 从zct的工作原理可知，主管是零关断损耗，关断时靠谐振回路的分流使主开关管的电流发生转移，为实现零电流关断，谐振回路电流最大值但是太大的谐振电流又使谐振电感和辅助管的负担加重，因此应根据以下公式，通过选取适当的电压系数来计算谐振电容和电感。
3．2功率器件的选择
设计功率器件时，主要应根据两个基本参数来选择。第一个参数是功率器件截止时的耐压值，第二个参数是功率器件在导通时所能承受的最大电流值。这两个参数的选择是由开关变换器的类型决定的。表1列出了新型软开关电路中几个主要功率器件的电流、电压应力。
表1开关管与二极管的电流电压应力
电流应力 电压应力
主开关管s1 ii=io/(1－d) vo
主二极管d ii=io/(1－d) vo
注：表中d为占空比
（1）辅助管s2：辅助管s2仅在t4－t6流过电流，在一个周期的其它时间电流均为零。t4－t5时，lr2通过s1、d1、s2与c2、c3发生谐振，流过s2电流按正弦规律上升，。t5－t6时lr2、c2通过d6、d谐振，s2电流减小，直到t6时ilr2=0。在t5时，电流达到最大值ii。
（2）辅助管s3：辅助管s3仅在t0－t3导通。在此期间有两条支路的电流流过辅助管s3。一路来自电感lr1的电流，另一路来自电感lr2的电流。
从上述几个式子可以看出：支路1在t0－t3期间电感lr1电流最大值出现在t1≤t≤t2期间，且其最大值为。最大值出现的时刻
支路2期间电感lr1电流最大值出现在（t0≤t≤t30）期间，最大值为。
流过s3的电流为上述两条支路中电感电流之和，所以为减小s3的电流应力，在选择谐振元件参数时，还应考虑两条支路出现电流最大值的时刻错开。
4仿真与实验结果
在vin=90～120v,p0=400w,v0=200v,f=100khz条件下算出：lr1=30μh,lr2=10μh,c1=330pf,c2=c3=8.2nf。在上述参数下对zvzct软开关电路进行仿真。图4为主要器件电压、电流的仿真波形。从仿真波形可以看出，主开关管s1零电流、零电压通断，开关电压、电流为梯形波，相互错开，即有两个平顶、两个平底和四个零、四个斜坡，辅助开关管s2、s3也实现了零电流通断。图5、图6为实验波形，从实验结果可看出主管和辅助管都实现了零电流通断，与理论分析和仿真结果一致。
图4新型zvzct软开关pwm变换器电路仿真波形
图5zvzct－pwm变换器主管电压电流波形
图6zvzct－pwm变换器辅助管s2、s3电流波形
5结论本文构造出一种新型zvzct软开关pwm变换器，通过理论分析和电路仿真，找出一种新型的软开关控制规律，使主开关管电压、电流为梯形波，相互错开，即有两个平顶、两个平底和4个零、4个斜坡，具有如图7所示的理想的软开关特性，并已通过实验加以验证。由于主开关管实现了四个零，且有t2－t3和t6－t7的电压电流错开时间，消除了电压和电流的交叠现象、降低了开关损耗，提高了工作效率；四个斜坡减小了、，使开关应力减小，提高了开关器件的寿命和工作可靠性，同时也能解决硬开关pwm变换器引起的emi问题，二极管的反向恢复问题等，具有重要的理论意义。
图7理想的软开关波形
该新型软开关变换器由于主管和辅助管都实现了零电流通断，主管和辅助管均可用igbt作为开关器件用于高电压、大功率应用场合，具有重要的工程实用价值。
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关键词：zvzct软开关变换器
a study of novel zvzct soft－ switching pwm converters
abstract:the paper presents a novel zvzct soft－ switching pwm converter: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
（7）t6－t7：t6以后，流过辅助管s2的漏源电流为零，此后给辅助管s2加关断信号可使s2零电流关断，而且t6以后整流二极管已完全导通，电路又回到传统的pwm工作状态。t7时辅助管s3导通，电路又重复上一个周期的工作。
3参数设计
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（1）辅助管脉冲宽度的确定
辅助管s2的脉宽≥为主开关管s1实现零电流关断的准备时间t45＋电感lr2中能量全部释放的时间t56。辅助管s3的脉宽≥为主开关管s1实现零电压接通的准备时间（t01＋t12）＋电感lr1中能量全部释放的时间t23。
本设计中取t01＋t12=0.05t,t45=0.03t,其中t为开关周期。
（2）设置电流系数ki
irm为流过电感lr1电流的最大值。ki值大于1。
（3）设置电压系数kv
vc2max为电容c2的最高电压，kv≥1。
（4）谐振电感、电容的计算
①零电压接通过程（zvt） 由zvt的动作原理可知，主开关管是零开通损耗，关断时靠电容c1缓冲减少关断损耗，定性地说较大的c1有利于减小关断损耗，但c1越大，存储的能量c1vds2越多，c1能量再经谐振转移到lr1上使电流峰值增高，关断损耗增大。可见这部分谐振能量究竟取多大，才能使主开关管的总损耗最小是设计此电路的关键。
其中ii取电感电流最大值po/vimin,（po为输出功率），c1包括谐振电容、主管寄生电容和整流二极管的结电容。
②零电流关断过程（zct） 从zct的工作原理可知，主管是零关断损耗，关断时靠谐振回路的分流使主开关管的电流发生转移，为实现零电流关断，谐振回路电流最大值但是太大的谐振电流又使谐振电感和辅助管的负担加重，因此应根据以下公式，通过选取适当的电压系数来计算谐振电容和电感。
3．2功率器件的选择
设计功率器件时，主要应根据两个基本参数来选择。第一个参数是功率器件截止时的耐压值，第二个参数是功率器件在导通时所能承受的最大电流值。这两个参数的选择是由开关变换器的类型决定的。表1列出了新型软开关电路中几个主要功率器件的电流、电压应力。
表1开关管与二极管的电流电压应力
电流应力 电压应力
主开关管s1 ii=io/(1－d) vo
主二极管d ii=io/(1－d) vo
注：表中d为占空比
（1）辅助管s2：辅助管s2仅在t4－t6流过电流，在一个周期的其它时间电流均为零。t4－t5时，lr2通过s1、d1、s2与c2、c3发生谐振，流过s2电流按正弦规律上升，。t5－t6时lr2、c2通过d6、d谐振，s2电流减小，直到t6时ilr2=0。在t5时，电流达到最大值ii。
（2）辅助管s3：辅助管s3仅在t0－t3导通。在此期间有两条支路的电流流过辅助管s3。一路来自电感lr1的电流，另一路来自电感lr2的电流。
从上述几个式子可以看出：支路1在t0－t3期间电感lr1电流最大值出现在t1≤t≤t2期间，且其最大值为。最大值出现的时刻
支路2期间电感lr1电流最大值出现在（t0≤t≤t30）期间，最大值为。
流过s3的电流为上述两条支路中电感电流之和，所以为减小s3的电流应力，在选择谐振元件参数时，还应考虑两条支路出现电流最大值的时刻错开。
4仿真与实验结果
在vin=90～120v,p0=400w,v0=200v,f=100khz条件下算出：lr1=30μh,lr2=10μh,c1=330pf,c2=c3=8.2nf。在上述参数下对zvzct软开关电路进行仿真。图4为主要器件电压、电流的仿真波形。从仿真波形可以看出，主开关管s1零电流、零电压通断，开关电压、电流为梯形波，相互错开，即有两个平顶、两个平底和四个零、四个斜坡，辅助开关管s2、s3也实现了零电流通断。图5、图6为实验波形，从实验结果可看出主管和辅助管都实现了零电流通断，与理论分析和仿真结果一致。
图4新型zvzct软开关pwm变换器电路仿真波形
图5zvzct－pwm变换器主管电压电流波形
图6zvzct－pwm变换器辅助管s2、s3电流波形
5结论本文构造出一种新型zvzct软开关pwm变换器，通过理论分析和电路仿真，找出一种新型的软开关控制规律，使主开关管电压、电流为梯形波，相互错开，即有两个平顶、两个平底和4个零、4个斜坡，具有如图7所示的理想的软开关特性，并已通过实验加以验证。由于主开关管实现了四个零，且有t2－t3和t6－t7的电压电流错开时间，消除了电压和电流的交叠现象、降低了开关损耗，提高了工作效率；四个斜坡减小了、，使开关应力减小，提高了开关器件的寿命和工作可靠性，同时也能解决硬开关pwm变换器引起的emi问题，二极管的反向恢复问题等，具有重要的理论意义。
图7理想的软开关波形
该新型软开关变换器由于主管和辅助管都实现了零电流通断，主管和辅助管均可用igbt作为开关器件用于高电压、大功率应用场合，具有重要的工程实用价值。
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