零电流开关单元电路设计

摘要：分析了一个新的零电流开关（ＺＣＳ）单元电路的特性。基于这个ＺＣＳ的单元电路，构建了一个新的ＺＣＤ的Ｂｏｏｓｔ电路，并对他们的工作机理进行了分析，而且在这个ＺＣＳ单元电路的基础上构建出更多的ＺＣＳ变换器。实验和仿真结果验证了理论分析。

０　引言

在＊＊＊率开关变换器中，为了提高功率密度，通常都采用提高开关频率的方式。但是随着频率的提高，开关损耗也增加，因此必须采用软开关技术来降低开关损耗。准谐振变流器可以工作在高开关频率和软开关状态下。但是，这一类零电流开关谐振技术也受到大电流、高电压或者频率调制的影响。可以在谐振电路中增加辅助开关和辅助的无源元件，实现恒频控制，降低电流和电流应力。但是，这一类电路的主要缺点就是主开关的电流应力比较高，导通损耗较大。本文提出一种新的ＺＣＳ＿ＰＷＭ单元电路。通过将谐振回路按照不同的方向分开，从而强制谐振电流不在所有的开关器件中流通，以降低电流应力。

ｌ　新型ＺＣＳ＿ＰＷＭ工作机理分析

图１所示为传统的ＺＣＳ＿ＰＷＭ变换器的基本单元及其对应的ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ变换器。为了降低主开关管的电流应力，如图２所示，在传统单元电路的基础上，增加了辅助二极管Ｄｓ１和Ｄｓ２，在一个谐振周期中，谐振回路被分开了。只有半个周期的谐振电流流过每个开关管，因此减轻了Ｓ１和Ｓ２的电流应力。图３是在图２所示单元的基础上构建的ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ变换器。图４所示为图３所示Ｂｏｏｓｔ电路的主要仿真波形。图５所示为该电路在一个工作周期中的各个工作状态。变换器在一个开关周期内的各个工作模态分析如下。

１）［Ｏ～ｔｏ］主开关Ｓ１断开，Ｄ１导通，输入电压Ｖｉｎ经输入电感Ｌ１向负载传递能量。

２）［ｔｏ～ｔｌ］　Ｓ１导通，电流由Ｄ１转向Ｓ１，Ｓ１电流以Ｖｏ／Ｌ１ｒ的速度增长。因为Ｌ，存在，Ｓ１是零电流开通。

３）［ｔｌ～ｆ２］　Ｓ１、Ｄ１电流转换结束，Ｌ１由Ｖｉｎ充电储能。

４）［ｔ２～ｔ３］　在ｔ２时刻，辅助开关Ｓ２导通，由Ｃｒ和，Ｌｒ构成谐振电路，当谐振进行到１／２周期时，Ｃｒ上的电压等于Ｖｉｎ，流经Ｓ２中的电流ｉｓ２为Ｏ。因为Ｄｓ２的存在，Ｓ２为零电流关断。

５）［ｔ３～ｔ４］　在下半个谐振周期开始时，谐振电流流经Ｓ１和Ｄｓ１，，流经Ｓ１的电流ｉｓ１开始减小。

６）［ｔ４一ｔ５］　当流经Ｄｓ１的谐振电流大于Ｉｉｎ时，Ｓ１的体二极管导通，Ｓ１实现零电流关断。

７）［ｔｓ～ｔ６］　当谐振电流减小至Ｉｉｎ时，Ｓ１的体二极管关断，Ｌ１以恒流Ｉｉｎ对Ｃ１进行充电，当Ｃｒ上的电压达到Ｖｉｎ　Ｖｏ时，Ｄｓ１关断。之后，又开始下一个周期的工作。

２　新的ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ变换器族

基于前面提出的ＺＣＳ＿ＰＷＭ单元电路和０ｏｏｓｔ变换器，按照单元电路在Ｂｏｏｓｔ电路中不同的位置构建不同ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ变流器。图６所示的Ｂｏｏｓｔ电路就是由图３所示的Ｂｏｏｓｔ电路衍生出的一族ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ电路。图６中所示的单元电路的工作机理同样也可以用上述方法进行分析。通过分析可以看出，这４个结构的工作步骤与图３类似，通过在Ｂｏｏｓｔ电路上增加新型的辅助电路，在一个谐振周期中，把谐振回路分成两个部分，这样流过每个开关管的谐振电流只有半个周期，因此减轻了Ｓ１和Ｓ２的电流应力，同时也减小了整个电路的损耗。因为这些电路都是基于Ｂｏｏｓｔ电路进行构架，而且仅仅在结构上有所不同，电路整个周期的工作原理相同，于是把这５个电路归纳为同一族ＺＣＳ＿ＰＷＭ　Ｂｏｏｓｔ电路。

３　实验结果

为了验证理论分析，进行了实验。按照图３中提出的Ｂｏｏｓｔ变换器，构建了一台１　ｋＷ的ＤＣ／ＤＣ样机。输人为ＤＣ　９０￣１５０Ｖ，输出为ＤＣ３７５Ｖ，开关频率为９５　ｋＨｚ。如图７所示，在输入电压为９０Ｖ时所测得的电流波形与图４的仿真波形相吻合。图７中所示的流经开关的电流波形和整流二极管的电压波形，与驱动信号相吻合。样机的效率如图８所示。为了说明新的变换器的优点，与传统的ＺＣＳ＿ＰＷＭ变换器（图１）进行了比较。

表１为主要器件的参数，在满负载情况下，改进型ＺＣＳ电路的效率提高了ｌ．５％。表１为电路中所使用的器件列表。

４　结语

本文介绍了，一族新型的ＺＣＳ＿ＰＷＭ单元电路。此单元电路能够降低流过器件的谐振电流，从而降低了开关管的导通电流。在此ＺＣＳ＿ＰＷＭ单元