零轉換PWMDC/DC變換器的拓撲綜述

摘要：零轉換PWMDC/DC變換器是器件應力較小、效率較高的1種DC/DC變換器結構，應用較為廣泛。介紹了近幾年出現的幾種新穎的零轉換PWM變換器的拓撲結構，重點分析了它們的工作原理，比較了它們的優缺點。

關鍵詞：零轉換PWM變換器；ZVT-PWM；ZCT-PWM，ZCZVT?PWM

1? 引言

??? 為了減小功率變換器的體積、重量和開關損耗，提高開關頻率和工作效率，在DC/DC變換器中常采用軟開關技術，以實現主開關管的零電壓（零電流）開通或關斷。具體的方法有4種：零電壓準諧振變換器（ZVS-QRC），零電壓多諧振變換器（ZVS-MRC），ZVS-PWM變換器和零轉換PWM變換器。

??? 一般而言，ZVS-QRC變換器^[1]電壓應力較大，且電壓應力與負載變化范圍成正比；ZVS-MRC變換器^[2]也具有較大的電壓應力和電流應力；ZVS?PWM變換器^[3]則因串聯諧振網絡而導致大的導通損耗。而零轉換PWM變換器則不同，它克服了前面3種結構的缺點，電路性能大為改善。其電路結構的特點在于，它的諧振網絡與主開關管并聯；在開關轉換期間，諧振網絡產生諧振，獲得零開關條件；在開關轉換結束后，電路又恢復到正常的PWM工作方式。這種電路結構給其帶來了4個方面的優點：

??? 1)功率開關器件工作在軟開關條件下，承受的電壓、電流應力較低；

??? 2)在整個輸入電壓和負載范圍內，都能較好地保持零電壓特性；

??? 3)輔助諧振網絡并不需要處理很大的環流能量，因此電路的導通損耗較小；

??? 4)采用PWM控制方式，實現了恒頻控制。

??? 由于零轉換PWM電路的突出優點，使其得到了廣泛研究和應用。最近幾年里，出現了許多新的零轉換PWM拓撲結構，其中以ZVT-PWM變換器的一些改進、ZCT-PWM變換器、以及ZCZVT-PWM變換器等幾種特色比較突出。本文將對這幾種拓撲結構作簡要介紹，重點分析它們的工作原理，并剖析它們的優缺點。

2? ZVT-PWM變換器及其改進

2.1? 普通的ZVT-PWM變換器

??? 圖1所示是文獻[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓撲結構。它在主開關管S之上，并聯了一個由諧振電容C_r（其中包含了主開關S的輸出電容和二極管D的結電容）、諧振電感L_r、輔助開關S₁及二極管D₁組成的輔助諧振網絡。

圖 1? 普 通ZVT- PWM變 換 器

??? 在每次S導通前，先導通S₁，使輔助諧振網絡諧振。當S兩端電容電壓諧振到零時，導通S。當S完成導通后，立即關斷S₁，使輔助諧振電路停止工作。之后，電路以常規的PWM方式運行。該拓撲結構在不

??? 增加電壓/電流應力的情況下，實現了S的零電壓導通和D的零電流關斷。但由于S₁是在大電流（接近諧振峰值電流）下關斷、大電壓（接近輸出電壓）下開通，S₁處于一種非常不好的硬開關環境。

??? 為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點，近幾年中人們提出了幾種改進的ZVT－PWM變換器拓撲結構，它們均實現了主開關管和輔助開關管的軟開關，減少了開關損耗。下面對這幾種改進結構分別予以介紹。

2.2? 改進拓撲之一

??? 圖2所示為文獻[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡中增加了一個電容(C_B)和兩個二極管（D_r，D₂），但卻同時實現了主開關管S₁和輔助開關管S₂的軟通斷，以下對其工作過程進行分析。

圖 2? 改 進 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 一

??? 在分析中作如下假定：

??? 1）輸入電壓V_i為常數，主電感L_f足夠大，輸入電流I_i為常數；

??? 2）輸出電容C_f足夠大，輸出電壓V_o為常數；

??? 3）諧振電路是理想的；

??? 4）諧振電感L_r<<L_f

??? 5）忽略半導體器件的電壓降和寄生電容；

??? 6）忽略D_r及其它二極管的反向恢復時間。

??? 設初始狀態為：S₁及S₂均為關斷狀態，輸出整流二極管D處于導通狀態。i_s1=0，i_s2=0，i_D=I_i，v_Cr=V_o，v_CB=0。電路在穩態時，每個開關周期的工作過程可分為7個模態，相應的主要波形如圖3所示。

圖 3? 工 作 過 程 波 形

??? 模態1(t₀－t₂)??? 在t₀時刻，S₂導通，i_D線性下降，i_s2線性上升，在t₁時刻，i_s2上升到I_i，i_D下降到0，隨后i_s2繼續上升，iD反向通過恢復電流，直到t₂時刻，i_D達到最大反向恢復電流－I_rr，這時流過S₂和L_r的電流為I_i＋I_rr，該模態結束；

??? 模態2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D關斷，L_r，C_r開始諧振，直到C_r放電到0，轉到模態3；

??? 模態3(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，D_s1自然導通，為S1創造ZVS條件；

??? 模態4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，在零電壓下導通S₁和關斷S₂，D₁導通，L_r，C_B開始諧振，直到i_Lr=0，該模態結束；

??? 模態5(t5－t₆)??? 該模態類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態；

??? 模態6(t₆－t₇)??? 在t₆時刻，S₁關斷，輸入電流I_i給電容C_r充電，同時C_B放電，直到V_Cr=V_o，該模態結束；

??? 模態7(t₇－t₈)??? 該模態類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態，直到t₈時刻，進入下一個開關周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了S₁和D在零電壓下導通和關斷，S₂在零電流下導通和零電壓下關斷，兩個開關管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬通斷的缺點，減少了關斷損耗。

2.3? 改進拓撲之二

??? 圖4所示為文獻[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡增加了一個電容，少了一個二極管。以下對其工作過程進行分析。

圖4? 改 進 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 二

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態為：u_Cf=u_Cr=V_o，i_Cr=0，i_D1=I_i，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為7個模態，相應的主要波形如圖5所示。

圖5? 工 作 過 程 波 形

??? 模態1(t₁－t₂)??? 在t₁時刻，S₂開通，L_r，C_r開始諧振，i_Lr諧振上升，直到i_Lr=I_i，該模態結束；

??? 模態2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D₁自然關斷，C_f，C_r，L_r與輸出負載R_L構成諧振回路，直到C_f放電到0，轉到模態3；

??? 模態3(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，C_r，L_r通過D_s1，S₂和R_L構成諧振回路，使L_r中的電流繼續減小；

??? 模態4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，i_Lr=I_i，S₁導通，D_s1關斷，此階段中，L_r，C_r通過S₂，S₁和R_L構成諧振回路，使Lr中的電流繼續減小；

??? 模態5(t₅－t₇)??? 在t₅時刻，i_Lr=0，在輸出電容C_o的作用下，L_r，C_r通過D_s2，S₁反向諧振，L_r中的電流反向，S2自行關斷；

??? 模態6(t₇－t₈)??? 該模態類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態，輸入電源通過S₁給L_s充電；

??? 模態7(t₈－t₉)??? 在t₈時刻，S₁關斷，輸入電流I_i給電容C_f充電，該模態類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態，直到進入下一周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了S₁在ZVS條件下通斷，S₂在零電壓、零電流的條件下關斷與開通，兩個開關管都是軟通斷，改善了開關環境，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬開關的缺點，減小了關斷損耗。

2.4? 改進拓撲之三

??? 圖6所示為文獻[7]提出的另一種改進的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲只是在輔助諧振網絡增加了一個電感、一個二極管和一個電容。其工作原理的分析與前面的基本相似，具體分析可以參考文獻[7]。從中可知，主開關管S₁在零電壓下開通和關斷，輔助開關管S₂在零電流下開通和關斷，從而也克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關管為硬開關的缺點，減小了開關損耗，實現了兩個開關都是軟開關。

圖 6? 改 進 的ZVT- PWM變 換 器 拓 撲 之 三

3? ZCT-PWM變換器

3.1? 普通的ZCT-PWM變換器

??? ZVT-PWM變換器能實現在ZVS下開通，消除導通損耗，但卻不能有效地減小關斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8]，如圖7所示，則能實現主開關在ZCS下關斷，消除關斷損耗。然而，其輔助開關仍然是硬開關，而且，其輸出整流二極管存在嚴重的反向恢復問題，導致大的導通損耗。雖然通過改變控制策略，使輔助開關導通時間更長一些，可以實現輔助開關管在ZCS下關斷，但輔助開關管的峰值電流將較大。

圖7? 普 通 的ZCT- PWM變 換 器

3.2? 改進拓撲之一

??? 文獻[9]提出了一種改進的ZCT-PWM變換器。該改進的拓撲只是將諧振網絡的輔助開關管S_a和嵌位二極管D_c交換位置，能實現所有的開關管在ZCS下通斷，并減小了S_a的峰值電流。但它的整流二極管D仍存在嚴重的反向恢復問題。

3.3? 改進拓撲之二

??? 文獻[10]介紹了一種新穎的ZCT-PWM變換器，它 很 好 地 解 決 了 以 上 所 提 到 的 各 項 缺 點 ， 如 圖8所 示 。 與 圖 7的 普 通ZCT-PWM變 換 器 相 比 ， 該 改 進 的 拓 撲 在 元 器 件 數 量 方 面 沒 有 增 減 ， 只 是 改 變 了 組 合 方 式 ， 但 同 時 實 現 了 主 開 關 管 S和 輔 助 開 關 管S_a的 軟 通 斷 ， 并 解 決 了 輸 出 整 流 二 極 管 D嚴 重 的 反 向 恢 復 問 題 。 以 下 對 其 工 作 過 程 進 行 分 析 。

圖8? 改進的ZCT-PWM變換器

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態為：S及S_a均為關斷狀態，D處于導通狀態。i_D=i_Lr=I_i，v_Cr=V_o，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為8個模態，相應的主要波形如圖9所示。

圖 9? 工 作 波 形 圖

??? 模態1(t₀－t₁)??? 在t₀時刻，S開通，i_Lr，i_D線性下降，直到i_D=i_Lr=0，D關斷，該模態結束；

??? 模態2(t₁－t₂)??? 該模態類似于普通PWM Boost變換器的開通狀態；

??? 模態3(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，S_a開通，C_r，L_r開始諧振，經過半個諧振周期，v_Cr=－V_o；

??? 模態4(t₃－t₄)??? 在t₃時刻，D_a導通，S_a關斷，C_r，L_r繼續諧振，i_Lr反向增大，直到i_Lr=I_i，is=0，該模態結束；

??? 模態5(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，主開關管S的反向二極管導通；

??? 模態6(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，主開關管S關斷；

??? 模態7(t₆－t₇)??? 在t₆時刻，恒流源I_i給C_r充電，直到v_Cr=V_o，D導通，該模態結束；

??? 模態8(t₇－t₈)??? 該模態類似于普通PWM Boost變換器的關斷狀態，直到t₈時刻，一個開關周期結束。

??? 可見，該拓撲實現了所有開關管和輸出整流二極管D都在較小的di/dt下軟開通，在ZCS下關斷，而且在主開關管S上沒有附加的電流應力和導通損耗，大大減小了輸出整流二極管的反向恢復電流。

4? ZCZVT-PWM變換器

??? 近些年，一些電力電子研究中心的工程師們正盡力尋求一種最優化的軟開關技術，即用盡量少的輔助元器件，實現功率半導體器件同時在零電壓和零電流下轉換，綜合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優點，進一步完善零轉換條件。文獻[11]所介紹一種新穎的ZCZVT-PWM變換器，就能實現主開關管同時在零電壓和零電流下轉換，如圖10所示。以下對其工作過程進行分析。

圖10? ZCZVT-PWM變 換 器

??? 在分析中的假定與2.2基本相同，并設初始狀態為：主功率開關管S及輔助開關管S_a均為關斷狀態，輸出整流二極管D處于導通狀態，v_CR2=V_o，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為13個模態，相應的主要波形如圖11所示。

圖 11? 工 作 過 程 波 形 圖

??? 模態1(t₁－t₂)??? 在t₁時刻，S_a開通，C_R1，L_R諧振，i_LR，v_CR1均增加，直到v_CR1=V_i，該模態結束；

??? 模態2(t₂－t₃)??? 在t₂時刻，D_a2導通，i_LR繼續增加，直到i_LR=I_i，此時D自然關斷；

??? 模態3(t₃－t₄)??? C_R2，L_R諧振，v_CR2減小，i_LR繼續增加，直到v_CR2=0；

??? 模態4(t₄－t₅)??? 在t₄時刻，D_s導通，L_R釋放能量，i_LR減小，直到i_LR=I_i，該模態結束；

??? 模態5(t₅－t₆)??? 在t₅時刻，S導通，當L_R完全釋放能量時，i_LR=0，i_s=I_i，該模態結束；

??? 模態6(t₆－t₇)??? C_R1，L_R通過S和D_a1開始半周期諧振，此時關斷S_a；

??? 模態7(t₇－t₈)??? 該階段與普通Boost PWM變換器的開通狀態一樣；

??? 模態8(t₈－t₉)??? 在t₈時刻，S_a開通，C_R1，L_R諧振，i_LR增加，i_s下降，直到i_LR=I_i，i_s=0；

??? 模態9(t₉－t₁₀)??? 在t₉時刻，Ds導通，S關斷，當i_LR再次達到I_i，D_s關斷,該模態結束；

??? 模態10(t₁₀－t₁₁)??? 在t₁₀時刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，直到u_CR1=V_i，D_a2導通；

??? 模態11(t₁₁－t₁₂)??? 在t₁₁時刻，C_R2，L_R繼續諧振，直到i_LR=0，D_a1開通，D_a2關斷；

??? 模態12(t₁₂－t₁₃)??? 在t₁₂時刻，C_R2，C_R1，L_R諧振，當i_LR再次達到i_LR=0時，D_a1關斷，此時關斷Sa，該模態結束；

??? 模態13(t₁₃－t₁₄)??? 輸入電流I_i給C_R2充電，v_C2線性增加到V_o，此時D導通，進入下一個周期。

??? 可見，該拓撲結構實現了主開關管S同時在零電壓和零電流條件下開通和關斷，輔助開關管Sa在零電流條件下開通，零電壓和零電流條件下關斷，輸出整流二極管D在零電壓下轉換，從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優點，又克服了它們各自的缺點，大大減小了開關損耗。

5? 結語

??? 零轉換PWMDC/DC變換器是低電壓（電流）應力、高效率的變換器，但傳統的零轉換PWMDC/DC變換器仍存在一些問題。為了解決這些問題，人們提出了許多新的改進拓撲。本文對三種改進的ZVT-PWM變換器、一種改進的ZCT-PWM，以及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細介紹和分析。這幾個改進的拓撲都實現了所有開關管的軟通斷，進一步減小了開關損耗，效率大為提高，很值得進一步研究和完善。