零转换PWM DC-DC变换器的拓扑综述

1　引言

　　为了减小功率变换器的体积、重量和开关损耗，提高开关频率和工作效率，在DC-DC变换器中常采用软开关技术，以实现主开关管的零电压（零电流）开通或关断。具体的方法有四种： 零电压准谐振变换器（ZVS-QRC），零电压多谐振变换器（ZVS-MRC），ZVS-PWM变换器和零转换PWM变换器。

　　一般而言，ZVS-QRC变换器[1]电压应力较大，且电压应力与负载变化范围成正比；ZVS-MRC变换器[2]也具有较大的电压应力和电流应力；ZVS-PWM变换器[3]则因串联谐振网络而导致大的导通损耗。而零转换PWM变换器则不同，它克服了前面三种结构的缺点，电路性能大为改善。其电路结构的特点在于：它的谐振网络与主开关管并联；在开关转换期间，谐振网络产生谐振，获得零开关条件；在开关转换结束后，电路又恢复到正常的PWM工作方式。这种电路结构给其带来了四个方面的优点：(1)功率开关器件工作在软开关条件下，承受的电压、电流应力较低；(2)在整个输入电压和负载范围内，都能较好地保持零电压特性；(3)辅助谐振网络并不需要处理很大的环流能量，因此电路的导通损耗较小；(4)采用PWM控制方式，实现了恒频控制。

　　由于零转换PWM电路的突出优点，使其得到了广泛研究和应用。最近几年里，出现了许多新的零转换PWM拓扑结构，其中以ZVT-PWM变换器的一些改进、ZCT-PWM变换器、以及ZCZVT-PWM变换器等几种特色比较突出。本文将对这几种拓扑结构作简要介绍，重点分析它们的工作原理，并剖析它们的优缺点。


2　ZVT-PWM变换器及其改进

2.1 普通的ZVT-PWM变换器

图1
　　图1所示是文献[4]提出的普通Boost ZVT-PWM变换器的拓扑结构。它在主开关管S之上，并联了一个由谐振电容Cr（其中包含了主开关S的输出电容和二极管D的结电容）、谐振电感Lr、辅助开关S1及二极管D1组成的辅助谐振网络。

　　在每次主开关管S导通前，先导通辅助开关管S1，使辅助谐振网络谐振。当S两端电容电压谐振到零时，导通S。当S完成导通后，立即关断S1，使辅助谐振电路停止工作。之后，电路以常规的PWM方式运行。该拓扑结构在不增加电压/电流应力的情况下，实现了S的零电压导通和D的零电流关断。但由于S1是在大电流（接近谐振峰值电流）下关断、大电压（接近输出电压）下开通， S1处于一种非常不好的硬开关环境。

　　为了解决普通ZVT-PWM变换器的以上缺点，近几年中人们提出了几种改进的ZVT-PWM变换器拓扑结构，它们均实现了主开关管和辅助开关管的软开关，减少开关损耗。下面对这几种改进结构分别予以介绍

2.2 改进拓扑之一

图2
　　图2所示为文献[5]提出的一种新颖的ZVT-PWM变换器拓扑。与图1的普通ZVT-PWM Boost变换器相比，该改进的拓扑只是在辅助谐振网络中增加了一个电容

和两个二极管

，但却同时实现了主开关管T1和辅助开关管T2的软通断，以下对其工作过程进行分析。

　　在分析中，假定：（1）输入电压

为常数，主电感

足够大，输入电流

为常数；（2） 输出电容

足够大，输出电压为常数； （3）谐振电路是理想的；（4）缓冲电感

；（5）忽略半导体器件的电压降和寄生电容；（6）忽略

其它二极管的反向恢复时间。

　　设初始状态为：主功率开关管

及辅助开关管

均为关断状态，输出整流二极管

处于导通状态。

。电路在稳态时，每个开关周期的工作过程可分为7个模态：

　　模态1

在

时刻，

导通，

线性下降，

线性上升，直到

，

，该模态结束；

　　模态2

在

时刻，

达到最大反向恢复电流，主二极管

关断，

开始谐振，直到

放电到零，转到模态3；

　　模态3

在

时刻，

自然导通；

　　可见，该拓扑结构实现了主开关管T1和输出整流二极管DF在零电压下导通和关断，辅助开关管T2在零电流下导通和零电压下关断，两个开关管都是软通断，克服了普通ZVT-PWM变换器的辅助开关管为硬通断的缺点，减少了关断损耗。

2.3 改进拓扑之二

图3

　　图3所示为文献[6]中提出的另一种新颖的ZVT-PWM变换器拓扑。与图3的普通ZVT-PWM变换器相比，该改进的拓扑只是在辅助谐振网络增加了一个电容，少了一个二极管。以下对其工作过程进行分析。

　　在分析中，假设与1.2基本相同，并设初始状态为：

，则电路在稳态时，每个开关周期可划分为7个模态：

　　可见，该拓扑结构实现了主开关管 在ZVS条件下通断，辅助开关管 在零电压、零电流的条件下关断与开通，两个开关管都是软通断，改善了开关环境，克服了普通ZVT-PWM变换器的辅助开关管为硬开关的缺点，减小了关断损耗。

2.4 改进拓扑之三

图4

　　图4所示为文献[7]提出的另一种改进的ZVT-PWM变换器拓扑。与图4的普通ZVT-PWM变换器相比，该改进的拓扑只是在辅助谐振网络增加了一个电感、一个二极管和一个电容。其工作原理的分析与前面的基本相似，具体分析可以参考文献[7]。从中可知，主开关管S1在零电压下开通和关断，辅助开关管S2在零电流下开通和关断，从而克服了普通的ZVT-PWM变换器辅助开关管为硬开关的缺点，减小了开关损耗，实现了两个开关都是软开关。


3　ZCT-PWM变换器

3.1 普通的ZCT-PWM变换器