一种新颖的零电流转换Boost变换器分析

由于绝缘栅双极晶体管( INSulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT) 能够承受高电压、高电流，因此，常用于功率因数校正(Pouer Factor CorrectiON，PFC)电路、高功率转换器。然而，由于少数载流子的存在使其有严重的电流拖尾现象，这会导致极大的关断损耗，从而限制了开关频率，并使转换效率降低。因此，必须选用一种合适的软开关技术以避免这些问题。

为了实现相对较低的传导损耗和良好的可控性，零电流过渡(零电流转换) 被认为是一种很好的选择。虽然，以前有很多针对少数载流子器件IGBT 的零电流转换的方案，但是其仍然存在辅助开关管硬开关，以及需要更复杂的谐振网络结构。

图1 传统ZCT Boost 变换器

2 个传统的零电流转换( Zero-Current Transition，ZCT)Boost 如图1 所示。图1(a) 保证主开关零电流关断。但是，存在的问题包括主开关管不是零电流开通、辅助开关是硬开关和升压二极管存在反向恢复问题。图1(b) 显示了其他传统零电流转换升压转换器。它结构简单，但辅助开关管硬开关是这类变换器的主要缺点。

本文提出一种新型的基于PWM 的ZCT BootDC /DC 变换器。通过增加一个辅助开关管VT2，一个谐振电感Lr、一个谐振电容Cr和一个辅助二极管构成ZCT 单元，使得该变换器能在不增加电压、电流应力的情况下实现主管的ZCS，同时辅管也工作于ZC 状态，并实现了输出二极管软换流，大大降低了电路的导通损耗。本文将分析该变换器工作原理，并通过一个100 kHz 的试验仿真模型验证该电路的可行性。最后通过Saber 仿真，给出了各主要元器件的波形，和理论分析基本一致。

1 新型变换器工作原理分析

本文提出的改进型ZCTk-Boost 变换器原理电路如图2 所示。该变换器中的辅助单元由一个辅助开关管VT2，一个谐振电感Lr，一个谐振电容Cr一个辅助二极管构成一个ZCT 单元组成。为便于分析该ZCT Boost 的工作原理，假设:在一个开关周期Ts内，① 输入电感Lin足够大，输入电流可视为恒定不变;② 输出电容足够大，输出端可用一恒压源代替;③ 所有器件都是理想的;④ 变换器工作于稳定状态。

图2 改进ZCT Boost 变流器

电路工作时的各个工作模态的等效电路和理论波形分别如图3、图4 所示。该电路在一个工作周期内可分为7 个工作模态，详细分析如下:

图4 主要电压电流波形图

(1) 模态0:[0 ～ t0]。在t0时刻之前，VD1、VD2 导通，其余开关管关断，谐振电容上电压充至输出电压Uout，谐振电感电流大小等于输入电流。

(2) 模态1[t0 ～ t1]。t0时刻，VT1 开通，谐振电感的存在，主开关是零电流开通。流经VD1、Lr、VD2 的电流线性缓慢减小到零，而使2只二极管零电流关断，相反流过VT2 的电流呈线性增加到输入电流Lin;此模态所需时间:

(3) 模态2[t1 ～ t2]。t1时刻，该模态与基本的Boost 变换器工作情况一样，所需时间由占空比确定。

(4) 模态3[t2 ～ t3]。t2时刻，为了使VT1 软关断，VT2 开通固定的时间。当VT2 开通，Cr、Lr谐振，由于VT1 不在谐振回路，因此，主开关管VT1 的电流应力没有增加。经过半个谐振周期，Cr电压反向，VT2 电流为零，而为零电流关断VT2 提供了条件。此模态持续的时间为

(5) 模态4[t3 ～ t4]。t3时刻，经过半个谐振周期后，Lr电流反向流过VT1、VD1、Lr、Cr。因此，在此模态，VT1 电流呈正弦减小到零。流过VT1 电流:

软开关实现还必须满足以下关系:U0 /Zr≥Iin所需时间:

(6) 模态5[t4 ～ t5]。t4时刻，当VT1 的反并二极管开始导通，则VT1 能够实现零电压零电流关断，此模态所占时间:

(7) 模态6[t5 ～ t6]。t5时刻，输入电流通过VD1、Lr对谐振电容Cr充电，此模态时间如下:

(8) 模态7:[t6 - t0 ～ T]。t6时刻，当谐振电容电压达到输出电压Uout，VD2 开始导通，此模态开始持续到下一个开关周期。

2 参数设计

2. 1 谐振元件(Cr、Lr)

根据式(6)，且考虑20%的裕量，改写为如下关系:

谐振周期应该远小于开关周期，一般选择谐振频率为开关频率的10 倍。

2. 2 开关管(VT1、VT2)

开关电压电流应力如下

2. 3 二极管(VD1、VD2)

2. 4 Lin、Cout

2. 5 控制策略

控制方式可选择峰值电流、平均值电流或单周期控制方法，为了触发辅助开关管导通，则需要一个或门，一个单稳态触发器，单稳态触发器的时间由上式可以计算出其值必须等于0. 75Tr。

3 仿真结果

为验证理论分析的可行性，通过Saber 仿真给出各个主要元件的波形。在仿真中输入直流电压Uin = 15 V，输出平均电压Uout =37. 5 V，△Uout =200 mV，输出平均电流Iout = 1. 25 A，开关频率:100 kHz，利用上述软开关条件计算出其他参数: Lin = 2 0 0 μH，Lr = 1 μH，Cr = 3 5 nF ，Cout =40 μF 在上述参数下利用Saber 软件对ZCT Boost软开关变换器进行仿真。仿真结果如图5 所示。

图5 仿真波形

从图5 可看出: 该拓扑实现了主开关管VT1ZCS，ZVS 开通断，辅助开关管VT2 是ZCS 通断，并有效抑制了整流二极管的方向恢复问题。仿真结果与理论分析一致。由于仿真模型很难和现实电路完全一致，因此，仿真的精确性并不高，但是基本上反映电路波形的大小。仿真结果能验证理论推导的正确性。

4 结语

本文提出了一种新的ZCT Boost 电路，与传统Boost PFC 相比，确保了主开关的零电流导通零电压零电流关断，辅助开关管零电流通断，实现了主副二极管软通断。并通过软件仿真验证了以上理论分析的正确性。