一种新颖的零电流转换Boost变换器分析

     摘要: 提出了一种新的零电流转换Boost 变换器，通过在电路中增加一个辅助电路运用简单的控制策略。实现了变流器主管和辅管的零电流转换，主管和辅管的电流应力较传统的改进型零电流转换开关电路有明显减小，有效地减小了导通损耗，同时也实现了输出二极管的软换流，解决了二极管反向恢复的问题，效率明显提高，详细分析了该变流器的工作原理，然后通过Saber 仿真验证该模型。

　　0 引言

　　由于绝缘栅双极晶体管( Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT) 能够承受高电压、高电流，因此，常用于功率因数校正(Pouer Factor Correction，PFC)电路、高功率转换器。然而，由于少数载流子的存在使其有严重的电流拖尾现象，这会导致极大的关断损耗，从而限制了开关频率，并使转换效率降低。因此，必须选用一种合适的软开关技术以避免这些问题。

　　为了实现相对较低的传导损耗和良好的可控性，零电流过渡(零电流转换) 被认为是一种很好的选择。虽然，以前有很多针对少数载流子器件IGBT 的零电流转换的方案，但是其仍然存在辅助开关管硬开关，以及需要更复杂的谐振网络结构。

图1 传统ZCT Boost 变换器

　　2 个传统的零电流转换( Zero-Current Transition，ZCT)Boost 如图1 所示。图1(a) 保证主开关零电流关断。但是，存在的问题包括主开关管不是零电流开通、辅助开关是硬开关和升压二极管存在反向恢复问题。图1(b) 显示了其他传统零电流转换升压转换器。它结构简单，但辅助开关管硬开关是这类变换器的主要缺点。

　　本文提出一种新型的基于PWM 的ZCT BootDC /DC 变换器。通过增加一个辅助开关管VT2，一个谐振电感Lr、一个谐振电容Cr和一个辅助二极管构成ZCT 单元，使得该变换器能在不增加电压、电流应力的情况下实现主管的ZCS，同时辅管也工作于ZC 状态，并实现了输出二极管软换流，大大降低了电路的导通损耗。本文将分析该变换器工作原理，并通过一个100 kHz 的试验仿真模型验证该电路的可行性。通过Saber 仿真，给出了各主要元器件的波形，和理论分析基本一致。

　　1 新型变换器工作原理分析

　　本文提出的改进型ZCTk-Boost 变换器原理电路如图2 所示。该变换器中的辅助单元由一个辅助开关管VT2，一个谐振电感Lr，一个谐振电容Cr一个辅助二极管构成一个ZCT 单元组成。为便于分析该ZCT Boost 的工作原理，假设:在一个开关周期Ts内，① 输入电感Lin足够大，输入电流可视为恒定不变;② 输出电容足够大，输出端可用一恒压源代替;③ 所有器件都是理想的;④ 变换器工作于稳定状态。

图2 改进ZCT Boost 变流器

　　电路工作时的各个工作模态的等效电路和理论波形分别如图3、图4 所示。该电路在一个工作周期内可分为7 个工作模态，详细分析如下:

图3 各个工作模态等效电路图

图4 主要电压电流波形图

　　(1) 模态0:［0 ～ t0］。在t0时刻之前，VD1、VD2 导通，其余开关管关断，谐振电容上电压充至输出电压Uout，谐振电感电流大小等于输入电流。

　　(2) 模态1［t0 ～ t1］。t0时刻，VT1 开通，谐振电感的存在，主开关是零电流开通。流经VD1、Lr、VD2 的电流线性缓慢减小到零，而使2只二极管零电流关断，相反流过VT2 的电流呈线性增加到输入电流Lin;此模态所需时间:

　　(3) 模态2［t1 ～ t2］。t1时刻，该模态与基本的Boost 变换器工作情况一样，所需时间由占空比确定。

　　(4) 模态3［t2 ～ t3］。t2时刻，为了使VT1 软关断，VT2 开通固定的时间。当VT2 开通，Cr、Lr谐振，由于VT1 不在谐振回路，因此，主开关管VT1 的电流应力没有增加。经过半个谐振周期，Cr电压反向，VT2 电流为零，而为零电流关断VT2 提供了条件。此模态持续的时间为

　　(5) 模态4［t3 ～ t4］。t3时刻，经过半个谐振周期后，Lr电流反向流过VT1、VD1、Lr、Cr。因此，在此模态，VT1 电流呈正弦减小到零。流过VT1 电流:

　　软开关实现还必须满足以下关系:U0 /Zr≥Iin所需时间:

　　(6) 模态5［t4 ～ t5］。t4时刻，当VT1 的反并二极管开始导通，则VT1 能够实现零电压零电流关断，此模态所占时间:

　　(7) 模态6［t5 ～ t6］。t5时刻，输入电流通过VD1、Lr对谐振电容Cr充电，此模态时间如下:

　　(8) 模态7:［t6 － t0 ～ T］。t6时刻，当谐振电容电压达到输出电压Uout，VD2 开始导通，此模态开始持续到下一个开关周期。

　　2 参数设计

　　2. 1 谐振元件(Cr、Lr)

　　根据式(6)，且考虑20%的裕量，改写为如下关系:

　　谐振周期应该远小于开关周期，一般选择谐振频率为开关频率的10 倍。

　　2. 2 开关管(VT1、VT2)

　　开关电压电流应力如下

　　2. 3 二极管(VD1、VD2)

　　2. 4 Lin、Cout

　　2. 5 控制策略

　　控制方式可选择峰值电流、平均值电流或单周期控制方法，为了触发辅助开关管导通，则需要一个或门，一个单稳态触发器，单稳态触发器的时间由上式可以计算出其值必须等于0. 75Tr。

　　3 仿真结果

　　为验证理论分析的可行性，通过Saber 仿真给出各个主要元件的波形。在仿真中输入直流电压Uin = 15 V，输出平均电压Uout =37. 5 V，△Uout =200 mV，输出平均电流Iout = 1. 25 A，开关频率:100 kHz，利用上述软开关条件计算出其他参数: Lin = 2 0 0 μH，Lr = 1 μH，Cr = 3 5 nF ，Cout =40 μF 在上述参数下利用Saber 软件对ZCT Boost软开关变换器进行仿真。仿真结果如图5 所示。

图5 仿真波形

　　从图5 可看出: 该拓扑实现了主开关管VT1ZCS，ZVS 开通断，辅助开关管VT2 是ZCS 通断，并有效抑制了整流二极管的方向恢复问题。仿真结果与理论分析一致。由于仿真模型很难和现实电路完全一致，因此，仿真的性并不高，但是基本上反映电路波形的大小。仿真结果能验证理论推导的正确性。

　　4 结语

　　本文提出了一种新的ZCT Boost 电路，与传统Boost PFC 相比，确保了主开关的零电流导通零电压零电流关断，辅助开关管零电流通断，实现了主副二极管软通断。并通过软件仿真验证了以上理论分析的正确性。