ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

呂青，王路，王鎬江，高嵬

?

ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

呂青1，王路2，王鎬江3，高嵬4

（1. 空軍預警學院，武漢 430014；2. 海軍裝備研究院，北京 100082；3. 中船重工集團第704所；上海 200083；4. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

本文針對直流變換器的高損耗問題，對ZCZVT-PWM型SEPIC直流變換器進行了全面分析，對其損耗機理進行了定量計算，建立了器件級的損耗數(shù)學模型，為進一步研究該型電路拓撲的軟開關技術和參數(shù)設計奠定了理論基礎。

ZCZVT-PWM SEPIC 損耗 軟開關

0 引言

關于直流變換器在損耗問題上的研究，國內(nèi)外文獻[1-3]多建立在對電路原理的數(shù)學仿真上，而對其損耗機理的定量分析和計算尚不多見。本文在普通硬開關SEPIC和ZVZCT-PWM SEPIC電路的基礎上，通過合理化假設，建立器件的損耗數(shù)學模型，對其進行定量分析計算。

1 SEPIC變換器開關損耗分析

在開關電路中，主要的熱耗元件是功率開關管、續(xù)流二極管以及輸入輸出電感，在這里對上述元件的損耗進行分析和計算[4,5]。

1.1 功率開關器件（MOSFET）的損耗分析

在該變換器中，采用功率MOSFET開關管，其損耗主要為通態(tài)損耗和開關損耗。

1）通態(tài)損耗

2）開關損耗

由開通損耗、關斷損耗和容性開通損耗組成。其中開通損耗、關斷損耗是由開關管開關時產(chǎn)生的。產(chǎn)生的原因主要是：在開通時，開關管的電流上升和電壓下降同時進行；關斷時，電壓上升和電流下降同時進行，出現(xiàn)電壓電流波形交疊，產(chǎn)生了開關損耗，并隨開關頻率的增加而增大。

將開關管電流和電壓按線性處理，如圖1所示的理想開關狀態(tài)波形，則開通損耗就是在開關管開通時間（0~t）內(nèi)所承受的電壓和電流乘積的積分，即

同理，關斷損耗為

MOSFET工藝同其它工藝器件相比，其管芯所允許的電流密度較小，大電流器件的管芯面積要求就較大，因此漏源極之間的寄生電容C較大，開關開通時，其儲藏的能量耗散在溝道上，形成容性開通損耗。容性開通的損耗為：

由式(1)-(4)，可得到總損耗為：

1.2 續(xù)流二極管（FRD）的損耗分析

在電路中，續(xù)流二極管經(jīng)常使用快速恢復二極管（FRD），它具有正向壓降小，反向漏電流小，反向恢復時間短等特點?？焖倩謴投O管的損耗主要分為通態(tài)損耗和恢復損耗。

1）通態(tài)損耗

通態(tài)損耗為：

2）恢復損耗

恢復損耗主要是由于二極管由導通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復期，這個時間內(nèi)它仍處于導通過程，造成反向電流和電壓波形的疊加，產(chǎn)生損耗。由于二極管在關斷時的恢復過程很多參數(shù)不易測量，可通過對其恢復過程合理化假設，對其恢復損耗進行估算，可以假設延遲時間與下降時間近似相等。按圖2的理想恢復波形處理，這里假設反向恢復時間為t=2(t- t)= (t- t)。

圖2 理想化的反向恢復過程

則其恢復損耗為：

式中V、I為反向恢復電壓、電流峰值，f為變換器的工作頻率。

由式(6)和(7)可得功率整流二極管的總損耗為：

從以上分析可以得出，根據(jù)功率MOSFET、續(xù)流二極管在硬開關電路中的工作原理，其損耗主要由器件的物理特性決定，限制了電路的工作頻率的進一步提高，特別是在高于300kHz時，其損耗已經(jīng)很大，由于損耗引起溫升，降低了可靠性。所以在大功率電源中，傳統(tǒng)的硬開關SEPIC電路存在嚴重的缺陷。通過使用新器件，如大功率容量、低通態(tài)損耗的IGBT，超快速恢復二極管（UFRD）等，它們可以減小部分開關損耗，但還是受到限制。

2 ZCZVT-PWM SEPIC電路開關損耗分析

在ZCZVT-PWM SEPIC電路中增加了軟開關部分，因此在分析開關損耗時必須將其考慮在內(nèi)，進行全面分析。

2.1 主開關管S的損耗分析

1）通態(tài)損耗：

2）開關損耗

因為主開關管式零電壓零電流開關，所以開通、關斷損耗和容性損耗為

則主開關管S的總損耗為：

2.2 輔助開關管Sa的損耗分析

1）通態(tài)損耗：

2）開關損耗

因為輔助開關管式零電流開通，零電壓零電流關斷，所以有開通損耗

3）容性開通損耗：

則輔助開關管總損耗為

2.3 續(xù)流二極管VD（FRD）的損耗分析

在該型變換器中，續(xù)流二極管實現(xiàn)了零電壓零電流關斷，零電壓開通。所以有

1） 通態(tài)損耗：

2.4 輔助二極管VD1的損耗分析

3 結論

通過本文的分析計算，得出了ZCZVT-PWM型SEPIC電路的損耗計算公式，為進一步研究該型電路拓撲的軟開關技術和參數(shù)設計奠定了理論基礎。

[1] Wong S C, Brown A D. Simulation of losses in resonant converter circuits[J]. INT.J.Electronics, 1999, 86(6): 763-783.

[2] Kim E S, Joe K Y. An improved Soft-Switching PWM FB DC/DC converter for Reducing Conduction Losses[J]. IEEE Transactions on Poser Electronics, 1999, 14(2): 760-768.

[3] Gusseme D, Melkebeek J A. Design issues for digital control of boost power factor correction converters[C]. Industrial Electronics International Symp- osium, Ghent Univ, Belgium：IEEE, 2002, 3: 731-736.

[4] 楊旭, 王兆安. 零電壓過渡PWM軟開關電路的損耗分析[J]. 電力電子技術, 1999, 10(1): 29-32.

[5] 竇偉, 黃念慈. Boost電路的損耗分析[J]. 四川大學學報（工程科學版）, 2004, 36(3): 108-111.

Loss Analysis of ZCZVT-PWM SEPIC Converter

Luv Qing1, Wang Lu2, Wang Haojiang3, Gao Wei4

(1. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, China; 2. The Naval Equipment Research Institute, Beijing 100082; 3. No.704 Institute in CSSC, Shanghai 200083; 4. The Electricity Engineering School in NUE, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）12-0017-03

2013-03-04

呂青（1965-），男，研究生，高級講師。研究方向：電力電子技術。