寬幅壓大功率軟開關(guān)SEPIC變換器的實(shí)驗(yàn)分析

唐成 孫心豐 魯韻2,

（1. 海軍大連艦艇學(xué)院 訓(xùn)練艦支隊(duì)，大連 116018； 2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

SEPIC變換器能實(shí)現(xiàn)升降壓，對(duì)寬幅壓直流電網(wǎng)有良好適用性；在開關(guān)管的導(dǎo)通和截止期間，都能傳遞功率，傳輸效率高，抗電網(wǎng)干擾能力強(qiáng)，適用大功率高效率場(chǎng)合。軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于DC-DC變換器，改善其諧波、開關(guān)損耗和工作應(yīng)力有良好作用，是變換器技術(shù)研究的重要內(nèi)容[1]。

本文分析一種大功率場(chǎng)合的 ZVZCT-PWM SEPIC變換器，其主開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開關(guān)，輔助開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)零電流開通、零電壓零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷、零電壓開通[2]。諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在主電路中，開關(guān)管的電壓應(yīng)力沒有提高，同時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)功耗低[3]。

本文在對(duì)該電路工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹后，在輸入電壓 320-180V變化條件下，對(duì)該變換器的各元件參數(shù)進(jìn)行了選取及優(yōu)化，通過MATLAB仿真分析和研究，驗(yàn)證變換器軟開關(guān)功能的良好實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管損耗的有效降低，功率傳輸效率高，是船用高效率幅壓直流變換器的方案選擇之一。

1 ZVZCT PWM SEPIC變換器簡(jiǎn)介

圖1是一種零電流零電壓轉(zhuǎn)換PWM SEPIC變換器，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，共有14個(gè)工作模態(tài)。其中，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開通共有8個(gè)工作模態(tài)，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷共有6個(gè)工作模態(tài)，其詳細(xì)的狀態(tài)分析在文獻(xiàn)[4]中，其主要參數(shù)波形如圖2所示。

圖1 ZVZCT PWM SEPIC直流變換器

圖2 ZVZCT PWM SEPIC直流變換器的工作原理

該 ZVZCT PWM SEPIC變換器的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）主開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開關(guān)，輔助開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)零電流開通、零電壓零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管能實(shí)現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷、零電壓開通，功率開關(guān)管損耗有效降低；（2）軟開關(guān)條件與輸入輸出無(wú)關(guān)，在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；（3）變換器效率增加，電磁干擾減小。

2 系統(tǒng)的仿真與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 主開關(guān)管S實(shí)現(xiàn)ZVZCT條件

為了實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S的零電壓零電流開通，在模態(tài) 4中，在Lr電流降低至Iin+I0以前，Cr1的電壓必須降低為零，此時(shí)，體二極管DS導(dǎo)通，S的電壓鉗位為零。只要Δt4足夠長(zhǎng)，即可實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S的零電壓零電流關(guān)斷，在模態(tài)10中，Lr電流應(yīng)該增加到大于Iin+I0。此時(shí)，體二極管Ds，S的電壓鉗位為零。

其中，D為主開關(guān)管占空比，由此可以得出：

2.2 諧振支路中Lr和Cr1，Cr2的選值

輔助電路的工作時(shí)間不能太長(zhǎng)，一般可選擇為開關(guān)周期Ts的1/10，即

即有

其中，ta1為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輔助開關(guān)管第一次導(dǎo)通時(shí)間，ta2為輔助開關(guān)管第二次導(dǎo)通時(shí)間。對(duì)于 180 V—320 V的寬幅壓條件，可得 D∈（0.407, 0.55），由（4）、（5）式可得結(jié)果?。?）式。從而通過Lr的選取，根據(jù)式（2）可選取Cr1和Cr2。

2.2 基于寬幅壓的Matlab仿真[5]

設(shè)定輸入直流電壓Vin=180 V；輸出直流電壓V0=220 V；輸出電流I0=2.2 A；電容C=1100 μF；輸入電感Lr1=2 mH；輸出電感Lr2=2 mH；濾波電容Cf=470μF；諧振電容Cr1=Cr2=10 nF；電感Lr=5 μH；負(fù)載電阻 R=100 Ω；開關(guān)頻率 40 kHz。

仿真結(jié)果如圖3所示，由左至右依次為主開關(guān)管兩端電壓、電流波形和輔助開關(guān)管兩端電壓、電流波形。如圖4所示，在輸入電壓為180 V時(shí)，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，零電壓零電流關(guān)斷。

圖3 Vin=180 V時(shí)主、輔開關(guān)管電壓電流波形

圖4 Vin=180 V主輔開關(guān)管軟開關(guān)示意圖

圖5 Vin=320 V時(shí)主、輔開關(guān)管電壓電流波形

仿真結(jié)果如圖5所示，由左至右依次為主開關(guān)管兩端電壓、電流波形和輔助開關(guān)管兩端電壓、電流波形。圖6所示，在輸入電壓為320 V時(shí)，主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，零電壓零電流關(guān)斷。

圖6 Vin=320 V主輔開關(guān)管軟開關(guān)示意圖

由圖3-6可以看出，仿真結(jié)果與理論分析基本一致，在不改變?cè)?shù)的前提下，調(diào)整輸入電壓和輔助開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和延遲時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管零電壓零電流開關(guān)，輔助開關(guān)管零電流導(dǎo)通，零電壓零電流關(guān)斷。

3 實(shí)驗(yàn)分析

輔助開關(guān)管Sa超前主開關(guān)管S導(dǎo)通，超前主開關(guān)管關(guān)斷，且脈寬不同。據(jù)此利用DSP2407設(shè)計(jì)出兩路控制信號(hào)控制主輔開關(guān)管。接線圖如圖7所示。

圖8所示是DSP驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生PWM波形。

圖7 HCPL-4504接線圖

圖8 DSP驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM波形

由圖8可以明顯看出輔助開關(guān)管在主開關(guān)管開通和關(guān)斷之前導(dǎo)通，主開關(guān)管開通和關(guān)斷之后關(guān)斷，即主開關(guān)管一個(gè)周期內(nèi)，輔助開關(guān)管開關(guān)兩次，兩次導(dǎo)通的時(shí)間略有差別，達(dá)到預(yù)期設(shè)想。

圖9由左至右依次為輸入電壓為180 V時(shí)變換器主開關(guān)管兩端的電壓、電流波形和輔助開關(guān)管兩端的電壓、電流波形。

由圖 9（a），實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓零電流開通和關(guān)斷。由圖9（b），實(shí)驗(yàn)與仿真波形基本一致，實(shí)現(xiàn)了輔助開關(guān)管功能。表1是實(shí)測(cè)系統(tǒng)在180 V-320 V寬幅壓輸入下的效率，經(jīng)計(jì)算，該直流變換器的源效應(yīng)約為1.3%，負(fù)載效應(yīng)穩(wěn)壓精度約為0.55%。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了該型電路的參數(shù)優(yōu)化及設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并得出了大功率寬幅壓場(chǎng)合下不同輸入電壓時(shí)的變換器效率。理論分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，電路能很好實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的 ZVZCT軟開通和軟關(guān)斷，并且有效降低了損耗，提高了效率，達(dá)到預(yù)期目的。

圖9 主輔開關(guān)管的電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

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