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ZCS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。

关键词：单元电路；零电流开关；升压电路；变换器

0    引言

　　在中功率开关变换器中，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。

1    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D_S1和D_S2，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。

图1    传统ZCS-PWM电路和Boost变换器

图2    改进后的ZCS-PWM单元电路

图3    基于新单元电路的ZCS－PWM Boost变换器

图4    图3中所示电路的电流电压仿真波形

(a)模式1（t₀前）    (b)模式2（t₀～t₁）    (c)模式3（t₁～t₂）    (d)模式4（t₂～t₃）

(e)模式5（t₃～t₄）    (f)模式6（t₄～t₅）    (g)模式7（t₅～t₆）

图5    电路在一个开关周期的各种工作模式

　　1）[0～t₀]主开关S₁断开，D₁导通，输入电压V_in经输入电感L₁向负载传递能量。

　　2）[t₀～t₁]S₁导通，电流由D₁转向S₁，S₁电流以V₀/L_r的速度增长。因为L_r存在，S₁是零电流开通。

　　3）[t₁～t₂]S₁、D₁电流转换结束，L₁由V_in充电储能。

　　4)[t₂～t₃]在t₂时刻，辅助开关S₂导通，由C_r和L_r构成谐振电路，当谐振进行到1/2周期时，C_r上的电压等于V_in，流经S₂中的电流i_S2为0。因为D_S2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D_S1，流经S₁的电流i_S1开始减小。

　　6)[t₄～t₅]当流经D_S1的谐振电流大于I_in时，S₁的体二极管导通，S₁实现零电流关断。

　　7）[t₅～t₆]当谐振电流减小至I_in时，S₁的体二极管关断，L₁以恒流I_in对C_r进行充电，当C_r上的电压达到V_in＋V₀时，D_S1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Boost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。

(a)衍生电路之1                (b）衍生电路之2

(c)衍生电路之3                (d）衍生电路之4

图6    带有一个电感的ZCS-PWM boost转换器

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1kW的DC/DC样机。输入为DC 90～150V，输出为DC 375V，开关频率为95kHz。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。

(a)v_gs2与i_gs2波形                （b)v_gs1与i_gs1波形                （c)i_D1与v_D1波形

图7    实验波形

图8    当输入为150V时传统电路和改进电路的效率

　　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1.5％。表1为电路中所使用的器件列表。

表1    电路中的主要元器件

4    结语