带隔离变压器的DC/DC变换器零电流转换方案

摘要：提出了隔离型DC/DC变换器的ZCT实现方案。在变压器副边构造了和主功率回路并联的辅助谐振网络，在主开关管关断以前开通主开关管，通过谐振电容的高电压封锁副边整流桥的输出，使变压器原边电流降到零，在全负载范围内实现了主管和辅管的零电流开关。该文以推挽正激变换器为例，进行了详细的理论分析和关键参数的设计，通过原理样机的研制证明了这种方案的优点。最后给出了应用此种思想实现ZCT的一族变换器拓扑。
关键词：变换器/零电流转换变换器；推挽/正激推挽；零电流开关/零电流转换；电力电子

1 引言
提高开关器件的开关频率，减小磁性元件的体积重量是提高功率密度的关键技术。而在硬开关状态下，开关频率的提高意味着开关损耗的大幅度增加，因此有必要采用软开关技术。20世纪80年代以来，软开关技术得到了深入广泛的研究并取得了迅速发展，90年代进一步提出了零转换（Zero Transition）的思路^{[1~ 4]}。
以正激推挽电路的研究为平台如图1所示。通过辅助电路构成了零电流开关（ZCS）的正激推挽电路，如图2所示。但这种电路的谐振电感在主回路中，增大了导通损耗。本文增加2个单向导通二极管，把谐振电感L_r移出主回路，构成零电流转换（ZCT）正激推挽电路，如图3所示。实现了主功率管和辅助开关管的零电流开关。本文实现ZCT的思想可以应用到其它有变压器隔离的拓扑中。

2 工作原理分析
2.1 稳态工作基本关系
    本文以正激推挽变换器为例，进行详细的模态分析。
    设：原边匝数N_p₁=N_p₂ =W₁，副边匝数N_s=W₂,匝比n=W₂/W₁；T_s为开关周期，开关频率f_s=1/T_s；I_o为平均负载电流；L_f为输出滤波电感；C_f为输出滤波电容；R_L为负载电阻。
    电路的稳态工作基本关系和正激推挽电路相同，可参考文[5]~[7]。
2.2 各工作模态的工作情况
    图3为ZCT变换器拓扑，图中箭头所示方向为电流参考方向。下面通过具体的工作模态，给出实现软开关的关键波形和控制策略，着重分析实现软开关的机理。图4为电路的工作原理波形，在整个工作周期，该电路有16个模态。在分析之前，做出以下假设：① 开关管、二极管为理想器件；② 电感、电容为理想元件；③ L_f>>L_r；④ L_f足够大，L_f、C_f、R_L可以看成一个电流为I_o的电流源。

    （1）t₀~t₁：在t₀时刻前，开关管S₁、S₂均关断，漏感平均电流I_av在原边环流。负载电流通过D₁~D₄续流。t₀时刻S₁开通，副边感应电压nV_in加在副边漏感L_{s s}上。D₁、D₃电流线性上升，D₂、D₄电流线性下降。相应地，原边电流也从0开始线性上升，开关管S₁是有缓冲的零电流开通的。t₁时刻，D₁、D₃中的电流上升到负载电流I_o，D₂、D₄

    （2）t₁~t₂：t₁时刻前，谐振电感电流和谐振电容电压都为0。t₁时刻以后，副边感应电压nV_in加在谐振元件L_r、C_r上，L_r和C_r开始谐振。经过T_r /2到t₂时刻，i_Lr经最大值（T_r/4时）谐振到零，由于反向通路被D_a1截止，谐振过程被打断，C_r电压上升到2nV_in，达到最大值。模态2的持续时间为

    流过开关管的电流为

    （3）t₂~t₃：从t₂时刻开始，D_a1自然关断，V_cr保持为2nV_in不变。副边电流（或者说I_D1）为负载

    （4）t₃~t₄：t₃时刻零电流开通S_a，电容C_r和副边漏感L_ss谐振，副边输出电流谐振减小，t₄时刻，I_D1电流减小到零，电容C_r上的电压为

    （6）t₆~t₈：t₆时刻起负载电流I_o通过整流桥续流，t₇时刻可零电压/零电流关断辅助开关管S_a。t₈时刻零电流开通主开关管S₂，开始下半个开关周期。下半个开关周期的工作模态和上半个周期相同，不再赘述。
2.3 参数设计
    （1）谐振元件L_r和C_r    L_r和C_r的设计由以下3点制约：
    1）谐振阻抗Z_r足够大，以减小由于L_r、C_r谐振而给原、副边增加的电流应力。一般取

    这也是ZCT方案相对ZCS方案的一个优点，即增加的谐振电流可以小于最大负载输出电流I_omax。
    2）为减小L_r、C_r谐振工作对PWM控制的影响，需尽量减小谐振周期T_r，这里定义
    T_s=NT_r         (18)
式中一般取N＝6~15。
    3）C_r应能维持较长的提供负载电流的时间，以便主功率管的零电流关断在控制上容易实现，即应足够长。
    （2）开关管和二极管

    由于谐振过程的工作时间很短，流过整流管的电流有效值变化很小，所以整流管的电流定额基本上不变。由式(14)可知，谐振电容的电压为2nV_in，这样D₁~D₄的电压定额要比原来增大1倍。
3 实验结果
    根据理论分析，采用此方案，研制成功28.5V输入，75V输出 1kW DC/DC ZCT变换器，开关频率为100kHz。图5给出了输出电流I_o＝10A时的实验波形：图5(a)中1为原边开关管S₁栅源电压波形；2为辅助开关管S_a栅源电压波形；3为谐振电容C_r电压波形，4为I_s电流波形。图5(b)中1为原边开关管S₁栅源电压波形； 2为辅助开关管S_a栅源电压波形；3为整流二极管D₁电压波形，4为谐振电感I_Lr电流波形。由波形可见：S₁开通时，副边电流有缓冲地上升，副边电流在S₁关断前已降到0，这个电流按匝比折算到原边，可见主功率开关管为有缓冲地开通，ZCS关断。

4 ZCT变换器族
将这种ZCT思想应用到常用的隔离型变换器拓扑中，可以得到一族零电流开关的变换器拓扑。图6给出这种ZCS思路在几种常用的有变压器隔离的拓扑中的应用。

5 结论
本文在提出ZCS实现思想的基础上，增加两个单向导通二极管D_a1、D_a2，把谐振电感移出主功率回路，构成了零电流转换（ZCT）的DC/DC变换器。借助辅助网络的加入，通过谐振，使谐振电容电压维持高电位，在主功率管关断以前开通辅助开关管，用这个高电压封锁副边整流桥的输出，这样副边电流在S₁、S₂关断以前电流降到零，使得原边电流也降到零，在全负载范围内实现了主管和辅管的零电流（ZCS）开关。本文以正激推挽电路为例，进行了详细的理论分析和关键参数的设计。通过28.5V输入75V输出 1kW DC/DC ZCT变换器原理样机的研制，证明了这种方案的优点。最后本文给出了应用此种思想实现ZCT的一族变换器拓扑。

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