摘  要：介绍一种Boost半桥DC/DC变换器，该变换器中的所有开关都工作于零电压开关状态，可减小开关损耗，提高工作频率，增加功率密度，减小整机的体积。本文分析了它的工作原理、导出了输入输出关系表达式，并给出了仿真和实验结果。

关键词：变换器  脉宽调制  零电压开关

1  引  言

传统的Boost变换器中的功率器件存在较高的电压、电流应力，开关损耗大，使开关频率难以提高。为解决这些问题，近年来国内外提出了许多软开关技术。采用ZVT技术[1]，可以减小开通损耗，但主管和辅助管都是硬关断，关断损耗没有明显减小。ZVZCT技术可以解决上述问题[2]，但是辅助器件较多，使电路复杂，辅助谐振增加电路损耗。为实现输入输出隔离，文献[3]介绍一种推挽隔离Boost变换器，但其开关应力较大。

本文介绍一种ZVS Boost半桥DC/DC隔离变换器，该变换器利用变压器漏感和辅助电容实现ZVS开关，电路结构简单。

2  电路组成及工作原理

2.1  电路组成

ZVS Boost半桥DC/DC变换器电路原理图如图1所示。其中：L是Boost电感，CC是钳位电容，S1、S2和C1组成半桥电路，C2是S2的结电容和其并联电容之和，L1k是变压器T的漏感，二极管D1~D4构成输出全桥整流电路，Lf 、Cf分别为输出滤波电感和滤波电容，R为负载电阻。

2.2  工作过程分析

分析之前，作如下假设：所有元件都是理想的；输出滤波电感足够大，认为是一个恒流源Io；输出滤波电容Cf足够大，可以认为输出是一个恒压源Uo；钳位电容足够大，认为是一个恒压源Ud。由于电感和变压器两端没有直流压降，因此电容C1两端电压等于输入电压Uin。

电路中主要工作波形如图2所示，在一个开关周期中，变换器共有8种工作模态，其等效电路如图3所示。

(1) 模态1 [t0，t1]：

S1导通，S2关断。电感L储能，同时电容C1通过变压器向负载提供能量，变压器原边电压等于电容C1两端电压，既等于输入电压Uin。

(2) 模态2 [t1，t2]：

t1时刻，S1关断，由于电容C2的存在，S1是零电压关断，其漏源电压Vd1线性增加，到t2时刻，上升到钳位电容CC电压Ud。

(3) 模态3 [t2，t3]：

t2时刻，S2的寄生二极管导通，变压器原边电压等于Ud-Uin，电感L和变压器漏感中的能量向电容CC转移，电感电流iL线性下降，同时变压器原边电流ip线性下降并反向增加到负载电流。在此期间开通S2是零电压开通。

(4) 模态4 [t3，t4]：

在此期间，电感电流大于负载电流，电感L中的能量一部分提供给负载，另一部分转移到电容CC中，iL继续下降，t4时刻等于负载电流。

(5) 模态5 [t4，t5]：

电感电流iL小于负载电流，电容CC通过S1向负载释放能量，此时由电感L和CC共同提供负载能量。

(6) 模态6 [t5，t6]：

t5时刻S2关断，S1两端电容C2与变压器漏感和滤波电感在原边的折算电感谐振，S1的漏源电压Vd1线性下降，S2的漏源电压线性增加，S2是零电压关断。t6时刻，下降到零。

(7) 模态7 [t6，t7]：

变压器原边电流ip大于电感电流iL，电流ip-iL通过S1的寄生二极管流通，在此期间开通S1，是零电压开通。为了使S1有足够的零电压开通时间，电感L应小一些，但是L太小会增加开关的电流应力，设计时应折中考虑。

(8) 模态8 [t7，t8]：

变压器原边电流ip继续下降到零并反向增加到负载电流，电感L电流继续增加，变换器工作状态回到模态1。

根据以上分析，开关S2上流过的电流较小，电流应力小，可以选择小功率的开关器件。而S1流过的电流是电感电流iL与变压器原边电流ip之和，电流应力较大，应选择功率较大的开关器件。开关S1、S2的电压应力与传统Boost相似。

2.3  基本方程

根据电感L伏秒平衡可以得到等式：

          （1）

其中：D是S1的占空比

          T是开关周期

由式（1）可求得电容CC的电压Ud：

                    （2）

在S1开通S2关断期间，变压器原边电压：

变压器副边电压：     （3）

其中：n是变压器匝比

在S1关断S2开通期间，变压器原边电压：

                     （4）

变压器副边电压：

            （5）

由式（3）、（5）并根据电感Lf的伏秒平衡可以得到等式：

 （6）

由式（2）和（6）可求得输出电压表达式：

                     （7）

由式（7）可见，该变换器的输出电压与占空比D之间呈线性关系，理论上没有最大占空比的限制，使控制电路简单，容易实现。但是该电路在占空比D不等于50%时，变压器存在直流电流偏移，因此设计时应考虑在额定功率输出时，使其工作于50%占空比附近。

3  仿真和实验结果

实验参数：输入直流电压Vin=24V；输出直流电压VO=200V；输出功率200W；变压器原副边匝比N1：N2=3：33；Boost电感L=20mH；变压器原边漏感L1k=1.5mH；输出滤波电感Lf=500mH；钳位电容CC=2.2mF；半桥电容C1=47mF；输出滤波电容Cf=100mF；谐振电容C2=2200pF；开关频率fs=100kHz。

利用Pspice对该电路进行了仿真，图4给出了仿真波形。图5给出了变换器的实验波形。

图5a是开关S1的驱动信号Vg1和漏源电压Vd1波形，可见是零电压开关。图5b是开关S1的驱动信号Vg1和变压器原边电流ip(20A/格)波形。图5c是开关S2的驱动信号Vg2和钳位电容CC的电流iC(20A/格)波形，可见开关S2是在电流通过其寄生二极管给电容CC充电时开通的，因此开关S2是零电压开关。

4  结  论

本文详细分析了ZVS Boost半桥DC/DC隔离变换器的工作原理，通过仿真和实验验证了电路的可行性。实验表明，该电路中的开关是零电压开关，开关损耗小，可以提高工作频率，减小装置体积，增加功率密度。由于输入输出之间有变压器隔离，可通过改变变压器匝比来实现各种输出电压等级的DC/DC变换器，拓宽了其应用领域。

参考文献：

[1] G. C. Hua, C. S. Leu, Y. M. Jiang, F. C. Lee. Novel zero- voltage-transition PWM converter. IEEE Trans. Power Electronics. 1994, 9(2): 213~219.

[2] 林国庆, 张冠生, 陈为. 新型ZVZCT软开关PWM Boost变换器的研究. 电工技术学报, 2000, 15(3): 44~47.

[3] 范桢, 蔡晓勇, 卢飞星, 朱忠尼. 推挽隔离式Boost变换器的分析与研究. 电力电子技术, 2000, 34(2): 23~25.

作者简介：

赵清林  男，1969年12月生，讲师，硕士，主要研究方向为高频功率变换和软开关技术。