改进型零电流PWM_Boost变换器

·开关电源· 低压电器(2010№12) 侯世英(1962—)， 女，教授，博士，主 要从事电力电子技 术应用和控制理论 应用研究等。 改进型零电流 PWM Boost变换器 侯世英1， 刘晓燕1，2， 林 茂1 (1. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030; 2. 重庆电子工程职业学院，重庆 401331) 摘 要:提出了一种基于零电流脉宽调制开关单元的改进型 ZCS PWM Boost变换 器。详细 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了改进型 ZCS PWM Boost变换器的工作原理和软开关实现条件，并进行 了仿真。仿真结果验证了改进型 ZCS PWM Boost变换器的可行性和正确性。 关键词:零电流切换;升压型;软开关;脉宽调制 中图分类号:TM 461 文献标志码:A 文章编号:1001-5531(2010)12-0045-04 Improved Zero-Current-Switching PWM Boost Converter HOU Shiying1， LIU Xiaoyan1，2， LIN Mao1 (1. State Key Laboratory of Safety and New Technology of Power Transmission ＆ Distribution Equipment and System，Chongqing University，Chongqing 400030，China; 2. Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China) Abstract:An improved ZCS PWM Boost converter based on a zero-current-switching (ZCS)pulse width mod- ulation (PWM)switching cell was proposed. The working principle of the improved ZCS PWM Boost converter and the soft scoitching realizing condition were detailly analyzed and simulated. The simulation results showed the im- proved ZCS PWM Boost converter was feasible and correct. Key words:zero-current-switching(ZCS);boost;soft switching;pulse width modulation(PWM) 刘晓燕(1978—)，女，硕士，研究方向为功率同数校正和 DC-DC变换器。 林 茂(1985—)，男，硕士，研究方向为软开关技术与变换器。 0 引 言 大容量、小体积是电力电子装置发展的重要 发展方向。减小散热元件和储能元件的体积，有 助于提高电力电子装置的功率密度。近年来，开 关器件的开关频率不断提高，储能元件的体积得 到了相应的减小。但开关频率提高后，开关导通 损耗和关断损耗比开关的通态损耗大得多，开关 发热增加，电磁干扰(Electromagnetic Interference， EMI)也增强，散热成本和体积也随之上升。为 此，传统 DC-DC变换器的发展受到制约。作为全 控型的 MOSFET 和 IGBT 各有其优点。与 MOS- FET相比，IGBT有电压等级高，功率密度大，损耗 低的特点，故常把 IGBT 用于大功率场合［1-4］。不 过，关断时 IGBT存在电流拖尾现象。ZCS技术的 出现，不仅可以减小开关损耗，还可以解决 IGBT 电流拖尾的问题。文献［5］中介绍的 ZCS PWM Boost变换器，虽然主开关和辅助均实现了零电流 开关，但是其主开关的电流太大，高于负载电流的 两倍，辅助开关电流变化频率是开关频率的两倍， EMI变大。而且谐振电容的带电时间长，等效串 联电阻损耗大。因此，本文提出了一种改进型 ZCS PWM开关单元(见图 1)。 1 工作原理 将图 1 的零电流开关单元用在 Boost 变换器 中，得到如图 2 的改进型 ZCS PWM Boost变换器。 其中，S1 为主开关;S3 为辅助开关;VD1 为续流 二极管;VD2 为与 S3 并联的限流二极管;VD3 为 辅助二极管;Lr 为谐振电感;Cr 为谐振电容;Co 为稳压电容;RL 为负载。改进型 ZCS PWM Boost 变换器，所有半导体器件均工作在软开关状态。 —54— 低压电器(2010№12) ·开关电源· 图 1 零电流开关单元 辅助开关和主开关的电流减小，谐振电容的工作 时间也缩短了，开关通态损耗得到很大减小。 图 2 改进型 ZCS PWM Boost变换器 在分析改进型 ZCS PWM Boost变换器的工作 原理前，先假设: (1)所有的半导体器件和储能元件元件均是 理想器件; (2)输入电感 Lin足够大，远大于谐振电感 Lr，输入电流 Iin可视为电流源; (3)输出电容 Co 足够大，输出电压 uo 可视 为电压源; (4)输入电压为 uin为定值; (5)主开关导通前谐振电感 Lr 的电流等于 输入电感电流 Iin，谐振电容 Cr 电压为零; (6)变换器已经达稳态。 在以上假设条件下，改进型 ZCS PWM Boost 变换器的工作在一个周期里共有 7 个模态。各模 态等效电路和电路波形分别如图 3、4 所示。 (a)模态 1 (b)模态 2 (c)模态 3 (d)模态 4 (e)模态 5 (f)模态 6 (g)模态 7 图 3 改进型 ZCS PWM Boost变换器各模态等效电路 模态 1［t0，t1］(见图 3(a))。t0 时刻前，主开 关辅助开关均关断，谐振电容电压为零，输入电流 通过续流二极管、谐振电感、辅助二极管向负载及 稳压电容供电。t0 时刻，主开关 S1 导通，谐振电 感上的电压为 － u0，谐振电感的电流线性下降，主 开关 S1 的电流线性上升。 uCr(t)= 0，iLr(t)= Iin － uo Lr (t － t0) Δt1 = IinLr /u { 0 (1) 当谐振电感电流降为零时，模态 1 结束。 模态 2［t1，t2］(见图 3(b))。输入电压通过 S1 向负载供电。谐振电感电流为零，谐振电容电 压也为零。 uCr(t)= 0， iLr(t)= 0 Δt2 = DT － Δt { 1 (2) 当辅助开关 S31 导通时，模态 2 结束。 模态 3［t2，t3］(见图 3(c))。辅助开关 S31 导通，谐振电感 Lr 与谐振电容 Cr 通过输出电压 uo 开始谐振 —64— ·开关电源· 低压电器(2010№12) 图 4 ZCS PWM Boost变换器工作波形 uCr(t)= uo［1 － cosωr(t － t2)］ iLr(t)= － uo Zr sinωr(t － t2) Δt3 = π /ω      r (3) 其中，Zr = Lr /C槡 r， ωr = 1 / LrC槡 r 当谐振电感电流过零时模态 3 结束。 模态 4［t3，t4］(见图 3(d))。谐振电感 Lr 与 谐振电容 Cr 通过主开关继续谐振，谐振电感电流 由零上升，主开关电流从 Iin下降，谐振电容电压 从 2uo 下降。 uCr(t)= uo［1 + cosωr(t － t3)］ iLr(t)= uo Zr sinωr(t － t3) Δt4 = 1 ωr arcsin Iin u      o (4) 当主开关电流降为零时，模态 4 结束。 模态 5［t4，t5］(见图 3(e))。谐振电感 Lr 与 谐振电容 Cr 通过主开关反并寄生二极管谐振，此 时可关断主开关 uCr(t)= uo［1 + cos ωr(Δt4 + t － t3)］ iLr(t)= uo Zr sin ωr(Δt4 + t － t4) Δt5 = 1 ωr (π － 2arcsin IinZr uo      ) (5) 当主开关反并寄生二极管电流为零时，模态 5 结束。 模态 6［t6，t7］(见图 3(f))。谐振电容通过 输入电流 Iin、续流二极管、谐振电感、输出电压及 负载放电，谐振电感电流等于输入电流 Iin。 uCr(t)= uo － u 2 o － I 2 inZ 2 槡 r － Iin Cr (t － t6) iLr(t)= Iin， Δt6 = uo － u 2 o － I 2 inZ 2 槡 r Iin C      r (6) 谐振电容电压为零时，模态 6 结束。 模态 7［t6，t7］(见图 3(g))。输入电流 Iin通 过续流二极管、谐振电感、辅助二极管向负载及稳 压电容供电。 uCr(t)= 0， iLr(t)= Iin Δt7 = T － DT － π /ωr + 1 ωr arcsin ZrIin uo － Δt{ 6 (7) 当下个周期到来，主开关导通，模态 7 结束。 变换器一直这样周期性工作下去。 2 软开关实现条件 改进型 ZCS PWM Boost 变换器要实现软开 关，谐振电流最大值必须大于输入电流 Iin，由式 (4)可得 uo /Zr > Iin (8) 另外，对于开关占空比 D 也有一定要求。模 态 1、模态 3 到模态 6 都是不可缺少的，因此，D的 取值范围跟模态 2 和模态 7 的持续时间有关，即 图 5 主开关波形 Δt1 /T < D < 1 － (1 /T)∑ 6 i = 1，i≠2 Δti (9) 3 仿真研究 通过仿真软件对 ZCS PWM Boost变换器进行 —74— 低压电器(2010№12) ·开关电源· 了仿真分析。 参数设置如下:输入电压 uin = 250 V，额定输 出电压 uo = 400 V，开关频率 fs = 40 kHz，谐振电 感 Lr = 16 μH，谐振电容 Cr = 2. 5 nF。 其中，图 5 为主开关波形，主开关导通时，电 流从零线性上升，为电流导通，当电流谐振到零 时，开关自然关断，为零电流关断。图 6 为辅助开 关波形，主开关导通，电压加在谐振电感上，辅助 开关电压为零，谐振电感为零时，辅助开关电压又 为输出电压，为图中突降部分，谐振时，辅助开关 为零电流导通，也以零电流关断。图 7 为续流二 极管波形，主开关导通，二极管电流线性减小到 零，为零电流关断，谐振电感反向谐振时，二是样 儿管零电流导通。图 8 为限流二极管，其波形与 辅助开关一致。图 9 为辅助二极管波形，谐振电 容工作时，辅助二极管一直入于关断状态，因此二 极管为零电压工作。 图 6 辅助开关波形 图 7 续流二极管波形 图 8 限流二极管波形 图 9 辅助二极管波形 4 结 语 本文提出的一种改进型零电流 PWM Boost 变换器，其主开关、辅助开关、续流二极管和限流 二极管均实现了零电流工作，辅助二极管为零电 压工作。由此可见，改进型 ZCS PWM Boost 变换 器的所有 器件均实现了软开关工作。仿真结果 验证了改进型 ZCS PWM Boost工作原理的正确性 和可行性。 【参 考 文 献】 ［1］ 叶慧贞，杨兴洲. 开关稳压电源［M］. 北京:国防工 业出版社，1990. ［2］ 张立，赵永健. 现代电力电子技术［M］. 北京:科学 出版社，1992. ［3］ 丁道宏. 电力电子技术［M］. 北京:航空工业出版 社，1992. ［4］ 赵良炳. 现代电力电子技术基础［M］. 北京:清华 大学出版社，1996. ［5］ 王增福，李昶，魏永明. 软开关电源原理与应用 ［M］. 北京:电子工业出版社，2006. 收稿日期:2010 － 04 － 08 —84—