摘 要：介紹了零電壓" title="零電壓">零電壓轉換PWM開關變換器" title="變換器">變換器的一種改進電路，討論了其工作原理并進行了仿真與實驗研究。結果表明，改進電路通過加入由輔助電容和輔助二極管構成的緩沖單元，有效地改善了輔助開關管的開關工作條件，從而減小其關斷" title="關斷">關斷損耗，使變換器的性能得到進一步的改善。
關鍵詞： 變換器 零電壓轉換 軟開關技術
隨著人們對軟開關變換理論的深入研究，直流變換器在高性能、高效率、高可靠性等方面已經取得了很大進展，但仍存在各種各樣的缺陷。近年來出現的零轉換變換器(包括零電壓轉換、零電流轉換)綜合了軟開關變換以及PWM技術的優點，被稱為目前最具發展和應用前景的變換器[1],代表了軟開關變換技術的最新發展方向[2]但仍有不足之處：輔助開關是硬關斷，損耗很大，因此有必要進行改進研究，以尋求改善輔助開關管關斷條件的方法。本文就一種零電壓轉換(ZVT)Boost變換器的改進電路進行理論分析及實驗。
1 ZVT-PWM變換器改進電路的工作原理
基本的ZVT-PWM Boost變換器主電路拓撲如圖1(a)所示；改進的ZVT-PWM Boots變換器主電路拓撲如圖1(b)所示，它在圖1(a)的基礎上增加了一個由輔助電容Ca和輔助二極管Da構成的緩沖單元。
改進的ZVT-PWM Boost變換器的主要波形如圖2所示，與基本的ZVT-PWM Boost變換器相比，工作模式基本相同，不同之處有兩點，如圖中的陰影部分所示。
下面結合圖1(b)和圖2分析ZVT-PWM Boost變換器的工作模式。
在一個開關周期內，變換器共有八種開關模態。為便于分析，假設升壓電感Lf和濾波電容Ca足夠大，在一個開關周期內，Lf電流基本保持不變，設為Ii；Co電壓基本保持不變，設為Vo。各模態的分析如下：
模態1(t0～t1)：在t0時刻之前，主開關管S和輔助開關管S1均處于關斷狀態，升壓二極管D1導通" title="導通">導通。在t0時刻，開通S1，此時輔助電感電流iLr從0開始線性上升，而D1中的電流開始線性下降，在t1時刻，
上升到升壓電感電流Ii。D1的電流減小到0，D1自然關斷。
模態2(t0～t1)：在此模態中，Lr開始與電容諧振，繼續上升，而Cr的電壓開始下降。當Cr的電壓下降到0時，S的反并二極管Ds導通，將S的電壓箝在零位。
模態3(t2～t3)：在此模態中，Ds導通，Lr電流通過Ds續流，此時開通S就是零電壓開通。可見，S開通時刻應該滯后于S1的開通時刻。
模態4(t3～ta)：在t3時刻關斷S1，給Ca充電，由于有Ca，S1為零電流關斷。在ta時刻，
(ta)=Vo，D2導通，將箝在Vo。而對于基本的ZVT-PWM Boost電路，在t3時刻關斷 S1，由于S1在關斷時其電流不為零，而且當它關斷時，D2 導通，S1上的電壓立即上升到Vo，因此為硬關斷。
模態5(ta～t4)：在此模態中，加在Lr上的電壓為-Vo，線性下降。在t4時刻，下降到0。
模態6(t4～t5)：在此模態中，S導通，D1關斷。升壓電感電流流過S，濾波電容給負載供電，其規律與不加輔助電路" title="輔助電路">輔助電路的Boost電路完全相同。
模態7(t5～t6)：在t5時刻，S關斷，升壓電感電流給Cr充電，同時Ca放電，由于有Cr和Ca，S是零電壓關斷。在t6時刻，vCr上升到Vo，下降到0，D1自然導通，D2自然關斷。
模態8(t6～t7)：該模態與不加輔助電路的Boost電路一樣，Lf和Vin給濾波電容和負載供電。在t7時刻，S1開通，開始另一個開關周期。
綜上所述，通過加入輔助元件Ca和Da，可使ZVT-PWM Boost變換器輔助開關為硬關斷的缺點得到解決。
2 輔助電路元件選擇
(1) Ca的選擇
Ca作為緩沖電容，在選擇Ca時，應考慮主開關S的關斷情況，這是因為其額定電流要比輔助開關S1大。為了減小S的關斷損耗，應使Ca放電時速度不要太快，一般情況下，在最大負載時，從Vo下降到0的時間為(2～3)tf (tf為S的關斷時間)。Ca可由下式來選擇：
(2) Lr的選擇
輔助電路只是在主開關管開關時起作用，其工作時間一般可選擇為開關周期TS的1/10，即t01＋t12
3 仿真與實驗結果
根據以上原理設計的試驗電路參數為： Lf=300μH，Lr=12μH，Ca=1nF，開關頻率fS為100kHz，占空比D取0.5。主開關S選用IRF250，輔助開關S1選用IRFP460，D1、D2選用MBR3045PT，Da選用MUR1250。
采用miCrosim pspice 8.0軟件進行電路仿真，得到如圖3所示的有關仿真波形。圖3(a)的上、下方波形分別為主開關和輔助開關的驅動信號波形。可以清楚地看到，在主開關將要開通時先開通輔助開關，使電容Cr與電感Lr產生諧振，通過諧振，將Cr(與主開關相并聯)上的電荷釋放到零，從而為主開關的零電壓開通創造了條件。而在主開關開通后，輔助電路立即停止工作，從而減小了輔助電路的損耗。圖3(b)上、下方波形分別為輔助開關的柵源電壓和漏源電壓的波形，可見輔助開關為軟開關。
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圖4是實驗所得的主開關電壓電流波形，上方為柵源電壓波形，下方為漏極電流波形。從圖可見，當柵源電壓為零時，其漏極電流基本上下降至零，說明主開關是以軟開關方式工作的。
圖5是實驗所得的輔助開關的電壓和電流波形，上方為漏源電壓波形，下方為漏極電流波形。從圖可見，當漏極電流下降至零時，其漏源電壓逐漸上升到最大值，說明了輔助開關是在零電流的狀態下關斷的。
通過對一種零電壓轉換PWM變換器進行改進研究，理論分析和實驗結果說明：在ZVT-PWM變換器原電路上加入簡單的緩沖單元，能有效地改善輔助開關的關斷特性，實現零電流關斷。經改進后的變換器，所有開關管都在零電壓或零電流條件下開通或關斷，而主開關未增加任何電壓或電流應力。而且，電路結構簡單，易于控制。這一改進措施也可應用于ZVT-PWM變換器族的其他電路中，從而可構成新的一類ZVT-PWM變換器[3]。
參考文獻
[1] 孫慧賢，王群，楊衛新.改進型ZVT-PWM Buck變換器的仿真分析[J].電氣開關，2004,(6)：33-36.
[2] ?霍麗華，楊建忠. 升壓式軟開關變換器仿真研究[J]. 中國民航學院學報,2003，(7)：40-41.
[3] ?阮新波，嚴仰光．直流開關電源的軟開關技術[M]．北京：科學出版社，2000.
[4] ?HUA G, LEU C S, JIANG Y M, et al. Lovel zero-voltage-transition PWM converters[C]. Proceedings of the Power Electronics Specialists Conference, 1992:55-61.