全软开关Boost ZCT-PWM变换器

第４０卷第２期　２００６年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４０．Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ，２００６　全软开关Ｂｏｏｓｔ　Ｚ　ＣＴ・ＰＷＭ变换器　陆冬良，张代润，黄念慈　（四Ｊ１Ｉ大学，ｐｌｔ１）１ｌ成都６１００６５）　摘要：针对典型的Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ变换器・ｌｌ存在的上开关管硬开通和辅助开关管硬开关的问题，对原电路作　ｒ改进，提出了一种新的控制方法。实验结果证明，主开关管和辅助开关管均实现了零电流开通和关断，且进一步改　善了变换器的工作状况。　关键词：变换器；脉宽调制；开关，软开关　中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２００６）０２—００４３—０２　Ｇｌｏｂａｌ　Ｓｏｆｔ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ－ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＬＵ　Ｄｏｎｇ—ｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｄａｉ－ＩＭＢ，ＨＵＡＮＧ　Ｎｉａｎ—ｃｉ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｉｔｇｄｕ　６ｌ００６５，　ｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｓｗｉｔｃｈ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｈａｒｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ－ＰＷＭ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｓｏｍｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｃｏｎｔｏｌｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｉｎｔｏｄｕｃｅｄ　ｉｒｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈａｔ　ａｌｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｔｕｒｎ　ｏｎ　ａｎｄ　ｏｆｆ　ｕｎｄｅｒ　ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＷＭ；ｓｗｉｔｃｈ／ｓｏｆｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　１　引　言　提高开关频率是解决电源装置轻小化的可行方　开通，流过其　的电流立即上　升到　。可见，　法。但在硬开关电路中，开关器件的损耗随开关频率　的提高而增加，使电源效率降低．开关器件发热严　重。软开关技术的出现使这些问题得到了很好的解　决。Ｂｏｏｓｔ电路作为一种基本的ＤＣ／ＤＣ变换器，已广　泛用于各种电源设计。典型的Ｂｏｏｓｔ型零电流过渡　ＰＷＭ（ＺＣＴ．ＰＷＭ）电路【－１只实现了主开关管的零电流　关断．辅助开关管仍在大电流下关断。本文对传统的　其属于硬开　通，同时ＶＤ。　关断．存在反　向恢复问题。　由上述分析可　见，电路中ＶＱ。　的开通是典型　的硬开关过　程：而ＶＱ　关　（ｂ）　耍波彤　Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路拓扑结构及控制方法均加以改　进，使所有开关器件均实现了软开关。　２　电路工作原理简介及其缺点［２１　图１示出典型Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路拓扑结构　及其主要工作波形。主开关管ＶＱ。超前于辅助开关　管ＶＱ　开通，设ＶＱ　开通时刻为ｔ。。在ｔ。－ｔ。时段，　ＶＱ　，ＶＱ　均导通，施加在辅助支路　，　两端的电　压为零，辅助元件　，ｅ．开始谐振。在ｔ，－ｔ，时段，　，　断时的电流很　图ｌ典型Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路　及其主要工作波形　大。关断后，在ｈ￣ｔ　时段内，其两端电压很快上升到　输出电压值　，故关断损耗也会比较大。　３　电路结构及其控制方法的改进　为了改善Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路的工作环境，对　继续谐振，谐振电流ｉ　大于输入电流，ｉ　，ＶＱ。的　反并二极管ＶＤ　州导通，ＶＱ。可实现零电流关断。在　ｔ　时刻，ＶＱ　关断。由图可见，它是在大电流下关断　的。在ｔ３￣ｔ　时段内，升压二极管ＶＤ。，辅助二极管　ＶＤ　均导通，Ｌ　，　继续谐振。在ｔ　到ｔ　时段，电路工　作在基本的Ｂｏｏｓｔ电路工作状态下。在ｔ　时刻，ＶＱ．　定稿日期：２００５—０５—２３　作者简介：陆冬良（１９７９一），男，江苏人，硕士生，研究方　向为电力电子与电力传动。　原电路拓扑结构及控制方法进行了改进。在ＶＱ　支　路中串入电感以限制其开通时的电流上升速度；适　当延长ＶＱ　导通时间，使其在零电流条件下关断；去　掉了辅助二极管。图２示出改进后的电路结构及其　主要工作波形。在厶和Ｇ足够大的情况下，稳态时　一个开关周期　内，电路输入电流基本不变，为，．　，　输出电压基本不变，为　。为分析、计算方便，取　ｌ＝　以ＶＱ　的开通时刻为起点，一个　可分为８个　。时段．其波形见图２ｂ。　４３　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４０卷第２期　２００６年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４０。Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ，２００６　（１）时段１　加至ｔ。时为ｉｎ，ＶＤ　自然关断，主开关实现零电流开通。　【ｔｏ一￡１］　在初始　（７）时段７［ｔ。一￡９】在初始状态，ｕｃ￣（ｔ８）＝一　。。在　状态，ｉＶＯｌ（￡。）　－ｌ１。　ｉＬ．（￡０）＝０，ｕ　（￡０）：　一　Ｉ。在ｔ０时　ｒ—　：！；　Ｉ　　－’　｝一　叶＿÷ｈ　：：　卜　刻，ＶＱ　开通，由　『　ｆ　；　Ｉ　｝　：　于　的作用，　ｆ　尊巍　‰　ＶＱ　为零电流开　ｌ　；　，　镒　Ｖ　、　／　通，ＶＱ。，ＶＱ　均　’ｌ　　｛：　ｌ－￡　：，　＿Ｊ　Ｉ，　：＾＾　＾　　’，ｕ　导通，　ｌ，　，Ｃ　（ｂ　娅波Ｊｆｊ　开始谐振。在此　图２改进的Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ　ＰＷＭ电路结构时段中，对谐振　及其主要工作波形　回路进行分析　＝等ｓｉ　。）　计算后可得：　一　ｓｉ　。）　ｕ　（　ｏ）＝一￡　ｌＣＯＳ）Ｏ　（ｔ－ｔ０）　式中五　＝Ｎ／－（Ｌ．＋ＬＯ／Ｃ．　＝Ｉ／％／－（Ｌ．＋Ｌｊ）／Ｃ．　当ｉＬ．由０上升到　时，时段ｌ结束。此时，　ｖ０　＝０。　（２）时段２　～￡３］在初始状态，　Ｑ（￡。）＝０，　（￡　）＝　＾　，Ｕ　（￡１）　一　ｌ。在ｔｌ时刻开始，ＶＤｖｏｌ开通，　ｌ，　，　继续谐振，电路方程表达式与时段ｌ相同。在ｔ：　时刻，ｕ　过零，　ｖｏ。达到最小值ｉ￣－　。／Ｌ　，而ｉ厶达到　最大值　。　。在ｔ３时刻，ｉ　。。回到零，Ｕｏ．达到　。。　在此时段内，ＶＱ。可实现零电流关断。　（３）时段３【￡，一ｆ４］　在初始状态，　（　）＝，ｊ　，Ｕｃａ（￡，）　＝　。。此时，电流回路为直流电压　，Ｌ　，Ｌ　，Ｃ　，ＶＱ　，　电路以恒流　给ｅ充电，Ｕｏ．线性上升，有：　（　）＝　ｏＩｌ＋Ｉｉ　（ｔ－ｔ３）／Ｃａ　（２）　在ｔ　时刻，Ｕ凸达到与输出恒压等值，即ｕｒ￣（ｔ　）＝　。　（４）时段４［ｔ　一￡６］　在初始状态，　（￡　）＝，ｊ　，Ｕｃａ（“）　＝ｕｏ。在ｔ　时刻，ＶＤ　开通，Ｃ　开始放电，Ｌ　，Ｃ　开始准　谐振。有：　【｛　（￡）＝　ｌｉ．Ｚ。＃一ｉｔｎ４）ｏ（ｔ　一ｔ４）　（３）　式中Ｚ　、ｖ／　／　＝ｌ／、／　Ｃ　在ｔ　时刻，Ｕ　达到最大，为　一＝　，并且　ＶＱ　的反并联二极管ＶＤ　ｏｌ开通。在￡　～￡　时段内，　ＶＱ　可实现零电流关断。　（５）时段５［￡　～￡７］辅助电路不工作，负载能量由　和升压电感　提供，与基本的Ｂｏｏｓｔ电路工作状　态一样。　（６）时段６［ｔ，一￡８】在￡，时刻，ＶＱ。开通，因其支路　中串入了电感，ｉｖｕ　不能突变，升压二极管保持导通，则　施加在　两端的电压为ｕｏ，ｉｖＱｌ＝Ｕｏ（ｔ－ｔ，）／Ｌ，，ｉｖ０　线性增　４４　ｔ　时刻，辅助电路开始工作，有：　一　ｓ　ｆ８）　ｉｖ￣ｊ（　ｓｉ　Ｈｓ）　Ｕｃ．（ｔ０）＝　ＩＣＯＳ）Ｏ　（￡一ｔ８）　在ｔ。时刻，Ｇ，　，　完成半个谐振周期，ｉ　回到０，　ｅ被反向充电到最大电压一　。，辅助电路停止工作。　（８）时段８　。一ｔ。ｏＪ　辅助电路不工作，负载能量　由输出滤波电容Ｇ提供。与基本的Ｂｏｏｓｔ电路工作　状态一样。　４仿真及实验结果　为验证上述电路的可行性。对　＝２４Ｖ，Ｕｏ＝　４８Ｖ。Ｐ＝１００Ｗ的Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路，在工作频率　ｆ￣＝１００ｋＨｚ和ｆ．＝２０ｋＨｚ的情况下进行了仿真和实验。　实验中，主、辅开关管的驱动信号由单片机产生。　仿真参数：Ｌｆ＝ｌｍＨ，Ｌｌ＝２　Ｈ，Ｌ　＝０．５１ｘＨ，　＝　０．１　Ｆ，Ｃｆ＝２０ｖ￣Ｆ。　图３ａ示出ＶＱ．　确　瓣：　鞫　鞲　着口ＶＱ　的门极马区　划十　一批　｜¨Ⅲ｛　誊÷　：　动电压Ｕ　Ｑｌ和　（ａ）Ｕｇｖ￣Ｉ神Ｊ　ｖ　的波形　舳仿真波形。　’　图３ｂ示出ＶＱ．　寰　ｔ／ｃｅＶＱＩ　的集射极电压　：　弋：…　Ｉ　・Ｊ－－－・　‘十　－　－・　ｖＱｌ和电流　ｖｏｌ　！‘　　！仿真波形。图３ｃ　示出ＶＱ　的漏源　极电压‰　恤和　ｉｈ仿真波形。　实验参数：　棼　ｔｌ：　．，　“．，　｝＾ｖ鬻　．　’　‘　Ｖ：１　Ｌｒ＝５ｍＨ，ＬＩ－－４１ｘＨ，　图３仿真结果　Ｌ　＝６１ｘＨ，Ｃａ＝ｌｌｘＦ，Ｃｆ＝２００￣Ｆ。图４ａ示出ＶＱｌ的　Ｍ　Ｑ１和ｉ　实验波形。图４ｂ示出ＶＱ　的ｕ　Ｑｎ和　实验波形。　萋薹　萼萼　’蚕　曩墨　善　ｆ／ｌ０ｕ　ｓ／格ｔ／１０　ｕ　ｓ／格　（ａ）　ｃ　ＶＩ　ｆ剌，ｖｏｆ的波　（ｂ）ｕａ　ｖｏ　手¨　ｑ的波彤　图４实验结果　由仿真和实验结果均可见，两者结果完全一致，　从而验证了电路中主、辅开关管均实　（下转第７８页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４Ｏ卷第２期　２００６年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ。２００６　减ｄ，Ｎ零，ＶＭ，反向截止，ＶＭ３，两端电压　，被箝位　在　＋“０ｌ；　在‰一　的作用下减小，ｄｉ　／ｄｔ＝　／Ｌ。。　（５）模式５［￡　～翻在ｔ　时刻，　在己　—　的作用　下过零，通过ＶＭ　反向流动：本阶段，Ｃ，和Ｇ与　以ＰＷＭ集成芯片ＵＣ３８７５为核心控制器件．搭建　了直流ＡＰＦ控制器。功率开关管为ＩＲＦ６４０．图４示出　所得的电源电压　、补偿前后的电源电流　实验波形。　谐振，Ｌ　中电流　继续增加，　ｍ慢慢降为零。　（６）模式６ｉｔ，一￡６］在ｔ　时刻，ＶＭ　零电压开通，　全部流经ＶＭ　，ｄｉ＾ｌ／ｄｔ＝ｕＪＬｌ；“ｖＭ　被箝位在　．＋““。　（７）模式７［￡　～￡　］在ｔ　时刻，ＶＭ　关断，　仍保　持正向，ｃ：被充电，ｃ　被放电，到ｔ　之后。新的…个　周期又开始了。　籀　堆一下Ｖ　：《　　ｉｎ０ｍｓｆ　ｔ｜ＩＯｍ　｝　４仿真和实验结果　应用ＰＳｐｉｃｅ对论文中所捉方案的电路进行仿　（ｂ）补偿前的ｋ波形　（ｃ）补偿后的　波｝ｆ＝；　图４直流ＡＰＦ的实验结果　真。设系统带容性负载．Ｒｏ＝３５ｆ／，Ｃｏ＝６５０１ｘＦ；电源电压　／Ｚｓ＝１００ｘ／２　ｓｉｎ（１ＯＯｍ）。直流ＡＰＦ主电路的Ｃ＝　仿真和实验结果与理论分析结果相吻合．证明　了所提方案的正确性。　１２００￣Ｆ，Ｌ＝３００１．ｒＨ。图３ａ，ｂ，ｃ示出软开关条件下ＶＭｌ　的工作电流　漏源电压　ｋ和驱动电压／Ｚ　仿真波形。　图３ｄ，ｅ，ｆ示出　，　。和Ｕ。仿真波形。仿真过程中考虑　５结论　提出了一种基于单周控制实现直流有源电力滤　了实际电路驱动能力和功率管的开关时间。　波器软开关的方法。该方法采用有源箝位技术。使功　率主开关实现了零电压导通。文中详细分析了该拓扑　结构的工作原理，通过仿真和实验证实了直流ＡＰＦ　能有效补偿系统中各次谐波和无功电流分量：所有的　功率管都能零电压导通。降低了开关管的开关功耗，　同时还降低了开关管的导通损耗。这对有源电力滤波　器向大功率发展具有理论和应用借鉴意义。　参考文献　［１］　Ｗｅｎｋａｉ　Ｗｕ，Ｗｅｉｈｏｎｇ　Ｑｉｕ，Ｒｕｓｔｏｍ　Ｋ，ｅｔ　．Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｉｎｐｕｔ　Ｓｉｎｇｌｅ－－ｓｔａｇｅ　ＰＦＣ　ＡＣ／ＤＣ　Ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　ＤＣ－－ｂｕｓ　飘　瑟糯　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｔｒｅｓｓ［Ａ］．ＰＥＳＣ　０２．ＩＥＥＥ　３３ｒｄ　Ａｎｎｕａｌ［Ｃ］．２００２：　ｌ３５ｌ～１３５６．　【２】　杜雄，周雒维，谢品芳，等．一种改进的单周控制直流　侧有源电力滤波器及稳态和动态研究【ＪＪ．中国电机工程　学报，２００３，２３（７）：１２～ｌ７．　ｆ３】　Ｋｅｙｕｅ　Ｍ　Ｓｎｅｄｌｙ，Ｌｕｏｗｅｉ　Ｚｈｏｕ，Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　Ｑｉａｏ．Ｕｎｉｉｆｅｄ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒｓ—ｓｔｅａｄｙ　Ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗ—　ｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００１．１６（５）：４２８—４３６．　【４】　张方华，严仰光．双向ＤＣ—ＤＣ变换器电路拓扑的分析与　图３软开关条件下ＶＭ　的仿真结果　（上接第４４页）　评价［Ｊ】，电源技术学报，２００３，ｌ（４）：３３１—３３８．　损耗，从而实现了两个开关管都是软开关。　现了零电流开通和关断　５结论　综上可见，改进的Ｂｏｏｓｔ　ＺＣＴ．ＰＷＭ电路在新的　参考文献　【１１阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术［ＭＩ．北京：科　学出版社．２０００．　控制方式下，其主开关管是在ＺＣＳ条件下通断的．　其辅助开关管是在零电压、零电流条件下开通与关　断的，实现了软通断，改善了开关环境．减小了关断　［２１　张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计【Ｍ】．北京：电子工　业出版社．１９９８．