ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

黃 興，石 磊

● (1．海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室，上海 200129； 2.海軍駐蕪湖地區(qū)軍事代表室，安徽 蕪湖241001)

ZVZCT-PWM SEPIC變換器的損耗分析

黃 興1，石 磊2

● (1．海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室，上海 200129； 2.海軍駐蕪湖地區(qū)軍事代表室，安徽 蕪湖241001)

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，對其損耗進行了定量計算，建立了器件的損耗數(shù)學模型，為進一步研究該型電路拓撲的軟開關(guān)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

ZCZVT-PWM；SEPIC；損耗；軟開關(guān)

0 引言

隨著海軍艦船電氣領(lǐng)域的飛速發(fā)展，大規(guī)模的電力電子設(shè)備被應用在艦船電器中。為了保障艦船在緊急時刻核心設(shè)備的不間斷供電，現(xiàn)在艦船中配備了直流蓄電池電源。為了更加高效地利用這有限的寶貴資源，直流變換器的損耗問題就顯得尤為重要。關(guān)于直流變換器損耗問題的研究，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(guān)SEPIC和ZVZCT-PWM SEPIC電路的基礎(chǔ)上，通過合理化假設(shè)，建立器件的損耗數(shù)學模型，對其進行了定量分析計算。

1 SEPIC變換器開關(guān)損耗分析

在開關(guān)電路中，主要的熱耗元件是功率開關(guān)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(guān)器件的損耗分析

在該變換器中，采用功率開關(guān)器件(MOSFET)的開關(guān)管，其損耗主要為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

1）通態(tài)損耗。由導通電阻Rds(on)產(chǎn)生的功耗，可表示為：

式中：Ids為導通電流有效值；Dy為開關(guān)管導通占空比。

2）開關(guān)損耗。由開通損耗、關(guān)斷損耗和容性開通損耗組成。其中開通損耗、關(guān)斷損耗是由開關(guān)管開關(guān)時產(chǎn)生的，產(chǎn)生的原因主要是：在開通時，開關(guān)管的電流上升和電壓下降同時進行；關(guān)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(guān)損耗，并隨開關(guān)頻率的增加而增大。

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

圖1 開關(guān)時刻理想電壓、電流波形

同理，關(guān)斷損耗為：

式中：di/dt，dV/dt為電流、電壓變化率（其中，di/dt=(Iin+I0/tr(f))，dV/dt=(Vin+V0/tr(f))）；Iin+I0為開通時流過開關(guān)管的電流；Vin+V0為關(guān)斷時開關(guān)管兩端的電壓；tf、tr為關(guān)斷時下降、上升的延時；fs為變換器的工作頻率。

MOSFET工藝同其他工藝器件相比，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Cds較大，開關(guān)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）～式（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：

式中：VDF、IF為正向?qū)妷?、電流；Dy為導通占空比。

2）恢復損耗?；謴蛽p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(guān)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(shè)，對其恢復損耗進行估算，可以假設(shè)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(shè)反向恢復時間為trr=2(t2- t1)=2(t3- t2)。

圖2 理想化的反向恢復過程

則其恢復損耗為：

式中：Vrm、Irm為反向恢復電壓、電流峰值；di/dt、dV/dt為電流、電壓的上升率；fs為變換器的工作頻率。

由式(6)、(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(guān)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(guān)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(guān)損耗，但還是使用受到限制。

2 ZCZVT-PWM SEPIC電路開關(guān)損耗分析

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

2.1 主開關(guān)管S的損耗分析

1）通態(tài)損耗。通態(tài)損耗按式（9）計算。

式中：IS(ds)為導通電流有效值；RS(ds)為主開關(guān)管S的通態(tài)電阻值；Dy為主開關(guān)管S導通占空比。

2）開關(guān)損耗。因為主開關(guān)管式零電壓零電流開關(guān)，所以開通、關(guān)斷損耗和容性損耗為：

則主開關(guān)管S的總損耗為：

2.2 輔助開關(guān)管Sa的損耗分析

1）通態(tài)損耗。通態(tài)損耗為：

式中：IS(ds)為導通電流有效值；RS(ds)為主開關(guān)管 Sa的通態(tài)電阻值；Dy為主開關(guān)管Sa導通占空比。

2）開關(guān)損耗。因為輔助開關(guān)管式零電流開通，零電壓零電流關(guān)斷，所以有開通損耗：

式中，di/dt=Vin/Lr，dV/dt=Vin/tr，可見由于Lr的存在使di/dt降低。

3）容性開通損耗：

則輔助開關(guān)管總損耗為：

2.3 續(xù)流二極管的損耗分析

在該型變換器中，續(xù)流二極管 VD(FRD)實現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷，零電壓開通。所以有：

1）通態(tài)損耗：

式中：VVD(F)、IVD(F)為續(xù)流二極管的正向?qū)妷弘娏鳌?/p>

2）恢復損耗：由于該二極管實現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷，所以有Prec≈0。

2.4 輔助二極管VD1的損耗分析

VD1除了諧振過程的通態(tài)損耗外，在t6時刻還有一個恢復損耗，利用式（7），可以得到：

這里di/dt=Vin/Lr，VVD1(rm)為續(xù)流二極管VD1的反向恢復電壓峰值。

3 結(jié)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，為研究該型電路拓撲的軟開關(guān)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。節(jié)約了艦船上有限的寶貴能源，為直流變換器在緊急時刻最大限度發(fā)揮保障安全作用，提供了設(shè)計和理論依據(jù)。

[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,2002:731-736．

[4]楊旭,王兆安.零電壓過渡PWM軟開關(guān)電路的損耗分析[J].電力電子技術(shù),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

HUANG Xing1,SHI Lei2
(1.Navy Representative Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China; 2.Navy Representative Office in Wuhu,Wuhu 241001,China)

Aiming at the problem of high loss of DC converters,its ZCZVT-PWM SEPIC DC converters are overall analyzed.Its loss is computed quantitative.The mathematical model of device loss is established,which lays the theoretical foundation for further studying of the soft switching technology and parameter design of circuit topology.

ZCZVT-PWM; SEPIC; loss; soft switch

TM42

A

黃興(1980-)，男，工程師，大學本科。研究方向：艦船電氣。