一種ZVZCS交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器

邾玢鑫，楊楠，任路路，佘小莉

（湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌　443002）

一種ZVZCS交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器

邾玢鑫，楊楠，任路路，佘小莉

（湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌443002）

提出了一種ZVZCS交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器。在所提輔助電路的幫助下所有開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，同時(shí)變換器通過電感電流斷續(xù)導(dǎo)通模式使得所有開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通，各個(gè)二極管也均實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，顯著降低了由開關(guān)管和二極管引起的損耗，變換器整體的工作效率得到了提高。最后，對(duì)所提變換器的工作原理及性能特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過搭建輸出功率為200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

ZVZCS；交錯(cuò)并聯(lián)；Boost變換器

近年來，軟開關(guān)技術(shù)在電力電子變換器中得到了越來越廣泛的關(guān)注［1-17］，其優(yōu)勢主要可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)［1-6］：1）通過軟開關(guān)技術(shù)可以有效降低開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗，提高變換器的工作效率；2）在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷損耗降低的同時(shí)，可以進(jìn)一步提高其工作頻率，這樣不但可以改善變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而且可以提高變換器的功率密度；3）通過軟開關(guān)技術(shù)，同樣可以有效降低變換器的電磁干擾，提高變換器的環(huán)境友好度。

文獻(xiàn)［1-10，14-17］通過在基本變換器中添加輔助電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的軟開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷。這些輔助電路通常由電感、電容以有源開關(guān)和二極管組成。文獻(xiàn)［7-10］中所設(shè)計(jì)的輔助單元雖然可以使得所有開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但拓?fù)浼敖Y(jié)構(gòu)都相對(duì)復(fù)雜。綜合看來，通過有源輔助電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，一方面使元器件數(shù)量增加，導(dǎo)致變換器成本升高，可靠性降低；另一方面，輔助有源開關(guān)本身也會(huì)增加變換器的控制及驅(qū)動(dòng)難度。在文獻(xiàn)［11-13］中，通過電感、電容等無源器件和二極管，同樣實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的軟開關(guān)，但這些方案同樣存在主開關(guān)管電壓應(yīng)力過高或需要變頻控制等問題。

本文提出了一種具備零電壓關(guān)斷能力的交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器，與傳統(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器相比僅增加了一個(gè)電容和一個(gè)二極管（以兩相交錯(cuò)并聯(lián)為例）。相比于傳統(tǒng)的軟開關(guān)電路，結(jié)構(gòu)非常簡單。在電感電流斷續(xù)模式下，不僅實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，也實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流導(dǎo)通，且所有二極管均實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，零電流關(guān)斷。

1　工作原理

在開關(guān)管兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙菘梢缘玫浇频牧汶妷宏P(guān)斷效果，從而顯著降低開關(guān)關(guān)斷損耗。但在該思路下，一般均需開關(guān)管同時(shí)具備零電壓導(dǎo)通的能力，否則開關(guān)管兩端引入的電容會(huì)在開關(guān)管開通時(shí)釋放其中儲(chǔ)存的能量，增加開關(guān)管的開通損耗。本文所提出的交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器如圖1所示（以兩相為例），在分析其工作原理時(shí)作如下假設(shè)：1）設(shè)輸入電壓Uin、輸出電壓Uo恒定；2）電感電流iL1和iL2斷續(xù)；3）有源開關(guān)S1、S2采用交錯(cuò)控制，且占空比D＞0.5；4）所有器件都是理想器件，不考慮寄生參數(shù)等的影響。

圖1　兩相交錯(cuò)并聯(lián)ZVZCS Boost變換器Fig.1　The two phase interleaved ZVZCS Boost converter

在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，變換器共有8個(gè)工作狀態(tài)，并且各個(gè)狀態(tài)的等效電路如圖2所示，其穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的主要波形（圖中的占空比D=0.7）分別如圖3所示。

1）開關(guān)模態(tài)1［t0－t1］（圖3（a））：在t0時(shí)刻之前，功率開關(guān)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通，二極管Do、D1、D2均關(guān)斷，電感電流iL1及電容電壓uCc為零，電感電流iL2線性上升。在t0時(shí)刻，開關(guān)S1開通，由于電感L1的存在，流過S1的電流iS1從零開始線性上升，S1實(shí)現(xiàn)零電流開通。電容電壓uCc保持為0，在t1時(shí)刻，開關(guān)S2關(guān)斷，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在此開關(guān)模態(tài)

式中：IL2（t0）表示電感電流在t0時(shí)刻的值。

圖2　一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的主要波形Fig.2　The key waveforms in one switching period Ts

2）開關(guān)模態(tài)2［t1-t2］（圖3（b））：在此開關(guān)模態(tài)，開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，二極管D1、Do關(guān)斷，D2導(dǎo)通。在t1時(shí)刻S2關(guān)斷，電感L1的電流iS1繼續(xù)線性上升；由于電容電壓uCc（t1）為零，因此S2實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，二極管D2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。到t2時(shí)刻，電容電壓uCc上升到輸出電壓Uo，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在此開關(guān)模態(tài)

3）開關(guān)模態(tài)3［t2-t3］（圖3（c））：在此開關(guān)模態(tài)，開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，二極管D1關(guān)斷，D2、Do開通，在t2時(shí)刻，電感L1的電流iS1在上個(gè)模態(tài)基礎(chǔ)上繼續(xù)線性上升；由于電容Cc的電壓uCc上升到輸出電壓Uo，所以二極管Do實(shí)現(xiàn)了零電壓開通；電感L2的電流開始線性下降。到t3時(shí)刻，電感L2的電流下降到0，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在此開關(guān)模態(tài)

4）開關(guān)模態(tài)4［t3-t4］（圖3（d））：在此開關(guān)模態(tài)，開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，二極管D1、Do、D2關(guān)斷，電感L1的電流iS1繼續(xù)線性上升；電容電壓uCc保持為輸出電壓Uo，在t3時(shí)刻，電感L2電流下降到0，持續(xù)到t4，開關(guān)S2再一次導(dǎo)通，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在此開關(guān)模態(tài)

狀態(tài)5-狀態(tài)8與狀態(tài)1-狀態(tài)4成對(duì)稱關(guān)系，因此在此不在贅述。

圖3　8種狀態(tài)的等效電路Fig.3　The equivalent circuits of eight states

2　性能分析

通過工作原理分析，可以明白電路的具體工作過程。下面分析該變換器的性能，主要包括開關(guān)管及二極管的電壓電流應(yīng)力，并通過拓?fù)渫蒲莸玫絥相交錯(cuò)并聯(lián)變換器的一般結(jié)構(gòu)。

2.1電壓增益M

為簡化分析，首先作如下假設(shè)：1）忽略電感L1、L2的差異，記為L；2）負(fù)載以電阻R替代；3）忽略開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷過程對(duì)變換器的影響。

由電感的伏秒平衡可得式（17）：

式中：D10、D11、D12分別為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間、電感電流下降時(shí)間以及電感電流為0的時(shí)間。通過流過二極管D1、D2的平均電流之和與輸出電流相等的關(guān)系可得式（18）。

綜合式（17）和式（18）可得電壓增益M為

式中：k為L/（RTs）。

2.2開關(guān)管電壓應(yīng)力

主開關(guān)S1、S2及二極管D1、D2所承受的電壓應(yīng)力均與基本Boost變換器一致，等于輸出電壓Uo，由工作原理分析可知，輔助二極管的電壓應(yīng)力也等于輸出電壓Uo，因此各個(gè)器件的電壓應(yīng)力相比于基本Boost變換器均沒有增加。

2.3開關(guān)管電流應(yīng)力

通過第一節(jié)的分析可知，開關(guān)S2的電流應(yīng)力與基本Boost變換器一致，為其支路上電感電流的最大值；而開關(guān)S1的電流應(yīng)力則同時(shí)受第一相與第二相電感電流影響。為簡化分析，忽略諧振充放電過程在整個(gè)電路中的影響（這些過程不會(huì)產(chǎn)生額外的電流應(yīng)力）。因此可以將變換器的工作過程分為7個(gè)區(qū)間。電感L1、L2的電流在這7個(gè)時(shí)序中分別如，式（21）和式（22）所示。

對(duì)應(yīng)的可以得到流過開關(guān)g1、S2的電流為：

通過式（23）和式（24）可得，開關(guān)管S1及開關(guān)管S2的電流應(yīng)力分別為：

二極管D0、D1及D2的電流應(yīng)力分別為：

通過上述分析可知，開關(guān)S1的電流應(yīng)力相比于基本Boost變換器要高，但流過它的電流的有效值基本不變，因此，不會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通損耗增加。

3　關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)參數(shù)過程中，開關(guān)管和二極管的設(shè)計(jì)原則與基本Boost變換器的設(shè)計(jì)原則一致，通過第二節(jié)中的分析可以得到相應(yīng)的電壓電流應(yīng)力，在選擇合適的器件即可。這里的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮諧振電容C1，…，Ci，…，Cn與各路電感值L1，…，Li，…，Ln的選擇。它們的設(shè)計(jì)原則是在保證變換器正常工作的前提下，較好的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。主要考慮以下2點(diǎn)：

1）零電壓關(guān)斷過程ΔTs（t2－t3），ΔTs在單位開關(guān)周期之內(nèi)所占比例不能過大，否則會(huì)對(duì)主電路的正常工作造成影響［14］；通常將這個(gè)過程限制在單位開關(guān)周期的20%以下［15］。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮控制開關(guān)關(guān)斷時(shí)其端電壓變化速率dv/dt，以減少開關(guān)管關(guān)斷損耗和降低EMI噪聲［16］，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮所選開關(guān)管的寄生端電容。

式中：tf為主開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間；Cs為串聯(lián)在電路中的輔助電容與待關(guān)斷開關(guān)寄生電容之和；Il，max為待關(guān)斷支路的電感電流最大值。

2）電感的設(shè)計(jì)需要考慮限制其通過的最大電流值Il，max，以降低開關(guān)管電流應(yīng)力和損耗［17］，同時(shí)也要滿足電路在大多數(shù)工作情況下工作于DCM模式，如式（32）所示，并且保證電感電流關(guān)斷速度滿足式（33），以降低二極管的反向恢復(fù)損耗［12］。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的正確性和有效性，設(shè)計(jì)制作了兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其中一臺(tái)為所提電路，另外一臺(tái)為傳統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)boost變換器，額定功率均200 W。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的具體參數(shù)如表1所示，為更好地進(jìn)行對(duì)比，其中兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)所用實(shí)驗(yàn)器件的差異僅在輔助電容Cc上，其他參數(shù)完全一致。

表1　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab.1　The parameters of the test prototype

通過上述樣機(jī)的測試得到了如圖4所示的主要實(shí)驗(yàn)波形。其中圖4（a）為所提變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)D1、D2、輸入電壓uin和輸出電壓uo的波形。圖4（b）為開關(guān)管S1、S2的端電壓及電流波形，顯然由于電感電流處于斷續(xù)工作模式下，所有開關(guān)均實(shí)現(xiàn)了零電流開通。圖4（c）和圖4（d）分別為所提變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開關(guān)管S1、S2關(guān)斷時(shí)的開關(guān)端電壓及電流變化波形，可見由于所提輔助電路的作用，開關(guān)端電壓在關(guān)斷過程中的上升速度受到了較好的控制，開關(guān)均實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。圖4（e）和圖4（f）分別為傳統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)boost變換器的開關(guān)S1、S2關(guān)斷時(shí)的開關(guān)端電壓及電流變化波形，可見開關(guān)關(guān)斷過程中，電壓與電流的重復(fù)區(qū)間較大，存在明顯的關(guān)斷損耗。

圖4　實(shí)驗(yàn)波形Fig.4　The experimental wave forms

5　結(jié)語

借助于一個(gè)輔助二極管和一個(gè)輔助電容，本文所提拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器中各個(gè)開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和零電壓關(guān)斷。文中給出了該變換器工作過程的詳細(xì)的理論分析，并給出了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和有效性。該電路結(jié)構(gòu)簡單，無需添加額外的輔助開關(guān)，沒有增加控制上的實(shí)現(xiàn)難度，具有成本低、控制簡單、可靠性高以及低EMI等優(yōu)勢。

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（編輯李沈）

A Zero-Voltage and Zero-Current Switching Interleaved Boost Converter

ZHU Binxin，YANG Nan，REN Lulu，SHE Xiaoli
（Hubei Micro-Grid Engineering Technology Research Center（China Three Gorges University），Yichang 443002，Hubei，China）

A novel ZVZCS（Zero Voltage and Zero Current Switch）interleaved Boost converter is proposed in this paper.The auxiliary circuit provides all active switches to turn off with zero-voltage transition.And the converter operates in discontinuous conduction mode，which promises the active switches to be turned on and the diodes to be turned off under zero-current condition，therefore，the reverse recovery loss of the diodes is dramatically reduced.Finally，the operation principle and performance feature of the converter are analyzed and a prototype rated 200 W has been built to demonstrate the results.

ZVZCS；interleaved；Boost converter

1674-3814（2015）12-0012-06

TM46

A

2015-07-15。

邾玢鑫（1986—），男，講師，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞髌魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、建模與控制、數(shù)字控制等；

楊楠（1987—），男，講師，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，電力系統(tǒng)建模與仿真；

任路路（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咴鲆骐娏﹄娮幼兞髌?，光伏發(fā)電等；

佘小莉（1988—），女，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞髌髟谛履茉窗l(fā)電中的應(yīng)用。

湖北省教育廳資助項(xiàng)目（B2015245）；湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（T201504）。

Project Supported by Foundation of Education Department of Hubei Province（B2015245）；Outstanding Youth Science and Technology Innovation Team Program of Education Department of Hubei Province（T201504）.