谐振直直变换器

1、西南交通大学电力电子技术电力电子技术Power Electronics谐振直直变换器谐振直直变换器西南交通大学 在在DC-DCDC-DC变换电路中加入谐振电感与电容，在运行中出变换电路中加入谐振电感与电容，在运行中出现谐振工作模式，即，流经开关的电流与作用在开关两端现谐振工作模式，即，流经开关的电流与作用在开关两端的电压波形（部分地）成为正弦波，实现开关的零电压的电压波形（部分地）成为正弦波，实现开关的零电压/ /电电流的通断。流的通断。 整个开关周期均为谐振拓扑整个开关周期均为谐振拓扑谐振变换器；只是开关谐振变换器；只是开关周期的一部份周期的一部份准谐振变换器。准谐振变换器。 零电流开关保证

2、开关在零电流条件下断开。零电压开关保零电流开关保证开关在零电流条件下断开。零电压开关保证开关在零电压条件下导通。证开关在零电压条件下导通。电流谐振开关与电压谐振开关电流谐振开关与电压谐振开关电流谐振开关拓扑分：半波与全波电流开关两种电流谐振开关拓扑分：半波与全波电流开关两种西南交通大学在电流谐振开关中在电流谐振开关中L与开关与开关S串联，开关在零电流时通断。串联，开关在零电流时通断。在零电流谐振开关中寄生电感可作为谐振元件的一部分并可在零电流谐振开关中寄生电感可作为谐振元件的一部分并可降低开关时产生的电压峰值。流经开关的电流为部分正弦电降低开关时产生的电压峰值。流经开关的电流为部分正弦电流（准

3、谐振）。流（准谐振）。电流谐振开关的基本工作模式：初始条件是开关稳定断开，电流谐振开关的基本工作模式：初始条件是开关稳定断开，续流二极管续流二极管D续流。谐振电容续流。谐振电容C上电压等于电源电压。上电压等于电源电压。DDsiSSLLCCsiDDsiSSLLCCsi由于二极管的作用，开关由于二极管的作用，开关中的电流只能是单向的，中的电流只能是单向的，称为半波开关；而等效开称为半波开关；而等效开关电流是双向的称为全波关电流是双向的称为全波开关。开关。模式模式1：当开关导通时，谐振电感：当开关导通时，谐振电感L上的电压为电源电压，上的电压为电源电压，L中的电流线性增长。但只有当电感电流等于负载电

4、流，中的电流线性增长。但只有当电感电流等于负载电流，D才才会截止。这种模式称会截止。这种模式称电感充电模式电感充电模式。 西南交通大学sVDsiSLCsVDsiSLCsVsiLCsVDsiSLCsVRDDsiSLCDSLCsisVRDontofftsicvsvDRiDRvsVRDsiLC11223344西南交通大学模式模式2 ：当电感电流达到负载电流，：当电感电流达到负载电流，D截止，截止，C与与L并联谐振。并联谐振。开关中除流过负载电流外还流过开关中除流过负载电流外还流过LC振荡电流。振荡电流按正振荡电流。振荡电流按正弦规律增大。过峰值后振荡电流变小，然后再反振。此时开弦规律增大。过峰值后振

5、荡电流变小，然后再反振。此时开关中的电流为关中的电流为io与与ic之差。该模式称谐振模式。之差。该模式称谐振模式。半波模式：当半波模式：当ic反振到反振到io时，时，D使电流不能反向流动，开关在使电流不能反向流动，开关在电流为零后自动截止。由于开关与电流为零后自动截止。由于开关与D均截止，均截止， io经经C流向负载。流向负载。因流过等效开关的是单向的，称半波模式。因流过等效开关的是单向的，称半波模式。模式模式3： 由于由于io经经C流动，流动，C上电压线性增高。当其上的电压上电压线性增高。当其上的电压为输入电源电压，为输入电源电压，D反压解除续流。这称电容充电模式。反压解除续流。这称电容充电

6、模式。模式模式4 ：续流管通，电容电压等于电源电压。：续流管通，电容电压等于电源电压。 为保证电路的正确工作，为保证电路的正确工作，Q的开通信号必须在的开通信号必须在VC过零前撤消。过零前撤消。DR两端的电压平均值是负载的平均电压。两端的电压平均值是负载的平均电压。西南交通大学全波模式：如果是全波开关则振荡过程如图。全波模式：如果是全波开关则振荡过程如图。Ic反振使反振使Q中电中电流为零，流为零，Ic继续增大，继续增大，D导通。直到振荡电流为零。由于导通。直到振荡电流为零。由于D是是开关的一部份，所以开关电流是双向的这称为全波模式。开关的一部份，所以开关电流是双向的这称为全波模式。DSLCsi

7、sVDSLCsisVCDSLsisV当振荡电流为零当振荡电流为零D断开，电路进入断开，电路进入C恒流充电模式。恒流充电模式。 谐振电容与续流管并联也可得到零电流开关。为方便叙谐振电容与续流管并联也可得到零电流开关。为方便叙述，对所使用的符号进行如下定义：述，对所使用的符号进行如下定义：零电流开关的另一种结构方式零电流开关的另一种结构方式西南交通大学CLZnLC/1特征阻抗特征阻抗谐振角频率谐振角频率sVsiLsVDsiSLCsVDsiSLCsVCDSLCsisVRDsVRDDsiSLContofftsicvsvDRi12341234西南交通大学SLVdtdiL)(0)0(Li21)(ItiLS

8、VLItt/210状态状态1 T0，T1 当开关导通，当开关导通，L上电压为电源电压，于上电压为电源电压，于是是iL从零线性升高从零线性升高,续流管电流线性下降。续流管电流线性下降。状态方程：状态方程：边界条件：边界条件：)()(tvVdtdiLcSL2)()(ItidttdvCLc0)(1tvC21)(ItiL状态状态2 T1，T2 续流管截止，电感与电容产生谐振。续流管截止，电感与电容产生谐振。 状态方程：状态方程：初始条件：初始条件：由上式求解状态方程，得由上式求解状态方程，得:西南交通大学)(sin)()(12ttZVItirRSL2/IZVRS为实现零电流开关，反振电流必须大于开关电

9、流。零为实现零电流开关，反振电流必须大于开关电流。零电流开关的条件是：电流开关的条件是：半波模式零电流开关，电感电流变到零时由于二极管的阻半波模式零电流开关，电感电流变到零时由于二极管的阻断，谐振状态结束，开关断开，电路转入下一状态。断，谐振状态结束，开关断开，电路转入下一状态。对全波模式零电流开关对全波模式零电流开关sVDsiSLCsVDsiSLCDLCsisV西南交通大学注意到反振电流可通过反并二极管流动。当电容电流越注意到反振电流可通过反并二极管流动。当电容电流越过峰值、再次等于负载电流时，电感电流为零。谐振状态过峰值、再次等于负载电流时，电感电流为零。谐振状态结束。结束。谐振状态的时间

10、：谐振状态的时间：)2/(半波时半波时 全波时全波时 2)2/(状态状态3 T2，T3 电容向负载放电，电容电压线性下降。电容向负载放电，电容电压线性下降。状态方程：状态方程： 2)(IdttdvCc电容两端电压：电容两端电压： )(/()()(222ttCItvtvcc西南交通大学2223/)(ICtvttc当电容电压下降到零，当电容电压下降到零，DR导通，电路转到下一个状态。导通，电路转到下一个状态。状态状态3持续的时间是持续的时间是:状态状态4 T3，T4 整流二极管导通。电容整流二极管导通。电容C上电压被钳位到零。上电压被钳位到零。开关开关S两端的电压为电源电压，此状态一直持续到下一次

11、开两端的电压为电源电压，此状态一直持续到下一次开关导通为止。关导通为止。在一个周期中，电源发出的能量是电感电流在一个周期中，电源发出的能量是电感电流(参见电路图参见电路图) 与与电源电压之积的平均值；负载吸收的能量是电阻上消耗的能电源电压之积的平均值；负载吸收的能量是电阻上消耗的能量。电容上的电压的平均值是输出电压的平均值。所以量。电容上的电压的平均值是输出电压的平均值。所以:输出平均电压：输出平均电压：TcOCdttvTVV0)(1西南交通大学SCSOVVVVM1VvVVIiIisSSOLOs电压变比：电压变比：开关电流与电压的峰值：开关电流与电压的峰值：电流谐振开关的特点：开关通断均发生在

12、零电流时刻，降低电流谐振开关的特点：开关通断均发生在零电流时刻，降低了开关损耗。了开关损耗。负载电流必须小于负载电流必须小于US/Z，否则开关要强迫关断一定的电流。，否则开关要强迫关断一定的电流。在给定的工作频率下，输出电压随着负载电流的增大而减小要在给定的工作频率下，输出电压随着负载电流的增大而减小要提高输出电压可通过提高开关频率来实现。提高输出电压可通过提高开关频率来实现。全波方式改善了输出电压对负载的依赖性。全波方式改善了输出电压对负载的依赖性。开关电流峰值明显高于负载电流，增大了导通损耗。开关电流峰值明显高于负载电流，增大了导通损耗。当主开关有寄生电容时，将产生导通损耗。当主开关有寄生

13、电容时，将产生导通损耗。西南交通大学 与电流谐振开关相对偶，有电压谐振开关。开关在零电压与电流谐振开关相对偶，有电压谐振开关。开关在零电压处通断。简称处通断。简称ZVS。在电压谐振开关（零电压开关）中，开。在电压谐振开关（零电压开关）中，开关本身的寄生电容作为谐振电路的一部分，可完全消除开关关本身的寄生电容作为谐振电路的一部分，可完全消除开关导通时的电流峰值与断开时的电压峰值。导通时的电流峰值与断开时的电压峰值。 零电压准谐振变换器零电压准谐振变换器CDSDSCsvsvLL电压谐振开关也分为半波与全波两种，如图示电压谐振开关也分为半波与全波两种，如图示零电压准谐振开关变换器零电压准谐振开关变换

14、器初始条件：开关稳定导通，负载电初始条件：开关稳定导通，负载电流经过开关谐振电感负载流动。电容上电压被开关钳位流经过开关谐振电感负载流动。电容上电压被开关钳位到零。负载电流是常数，二极管截止。到零。负载电流是常数，二极管截止。西南交通大学电路的工作过程如下电路的工作过程如下：模式模式1 T0，T1 开关断开开关断开，谐振电感，谐振电感L中的电流（负载电流）经谐振电容中的电流（负载电流）经谐振电容C流流动。动。 VC直线上升。当直线上升。当VC等于等于VS，此模，此模式结束。称电容充电模式。式结束。称电容充电模式。 LCsV模式模式2 T1，T2当当VC等于等于VS后，后，DR开始导通，开始导通

15、，C与与L串联谐振。随着串联谐振。随着C上电压的升高，振上电压的升高，振荡电流变小。当荡电流变小。当VC达到最大值时，电感电达到最大值时，电感电流为零。流为零。LCsV紧接着，电容经紧接着，电容经VS反向振荡，反向振荡，VC变小。当变小。当VC再次等于再次等于VS时，反振电流最大。当时，反振电流最大。当VC等于零等于零时，（此时反振电流不为零）此模式结束。时，（此时反振电流不为零）此模式结束。LCsV西南交通大学半波模式：模式半波模式：模式2 T2，T3 当电容电压等当电容电压等于零后，与开关并联的二极管导通。电感于零后，与开关并联的二极管导通。电感电流改经二极管流动。由于谐振电感上的电流改经

16、二极管流动。由于谐振电感上的电压为电源电压，所以，电流按直线规律电压为电源电压，所以，电流按直线规律变化，反向电流线性变小直到零。变化，反向电流线性变小直到零。 DLCsV随后，在随后，在VS作用下，开关电流线性变大。作用下，开关电流线性变大。当当IL等于负载电流时，等于负载电流时，DR截止。此状态结截止。此状态结束。显然开关两端的电压是单向的（半波束。显然开关两端的电压是单向的（半波模式）。这称电感充放电模式。模式）。这称电感充放电模式。 LsVLsV模式模式4 T3，T4 开关稳定导通，负载电流开关稳定导通，负载电流流过开关。电容电压被开关钳位到零。流过开关。电容电压被开关钳位到零。西南交

17、通大学DSLCsisVRDontofftLicvsiDRiciDiQi全波模式：模式全波模式：模式2 T2，T3 前边的过前边的过程与半波相同。程与半波相同。LC经电源反振，使经电源反振，使VC反向。反振电流反向。反振电流到零，电容反压达到最大。到零，电容反压达到最大。电容反压使开关不能导通，电容反压使开关不能导通，LC正向振正向振荡。荡。 当当VC到零开关反压解除，开关到零开关反压解除，开关Q导通。导通。LCsVLCsV然后是电感充电与稳定导通，见前。然后是电感充电与稳定导通，见前。西南交通大学sVRDDsiSLContofftLicvsiDRiciQi对零电压开关四种状态定量分析：对零电压

18、开关四种状态定量分析：状态状态1t0，t1 电容初值为零，流过电容初值为零，流过电容的电流为负载电流（半波、全电容的电流为负载电流（半波、全波模式相同）。波模式相同）。CttItvoc/ )()(0oSICVtt/)(0状态状态1所需时间：所需时间：结束标志：结束标志：VC等于等于VS。状态状态2t1，t2 续流管导通，续流管导通，LC谐振。谐振。电路的状态方程是：电路的状态方程是：西南交通大学)()(tidttduCLc)(cos)()(sin)(11ttItittZIVtvoLroScSOOVIZ初始条件：初始条件：vC(t1)=VS，iL(t1)=IO。解此状态方程，得：。解此状态方程，

19、得：为实现零电压开关，电容电压为实现零电压开关，电容电压VC必须要回到零。零电压必须要回到零。零电压开关的条件是：开关的条件是：ScLVtvdttdiL)()(西南交通大学在半波模式，电压在半波模式，电压VC变为零时由反并联二极管钳位到零；变为零时由反并联二极管钳位到零；对全波模式，电压对全波模式，电压VC变为零后反向振荡（在此期间给变为零后反向振荡（在此期间给S“ON”信号）。电压信号）。电压VC再变为零时谐振结束，转到下一状态。因此再变为零时谐振结束，转到下一状态。因此这两种情况下，谐振都是在电容电压为零时结束的。这两种情况下，谐振都是在电容电压为零时结束的。)2/(2)2/(半波时半波时

20、 全波时全波时 状态状态3t2，t3 电感充放电。谐振结束后电感以（电源电压）电感充放电。谐振结束后电感以（电源电压）消磁，电感中电流线性减小。电路的状态方程是：消磁，电感中电流线性减小。电路的状态方程是：)()()(22ttLVtitirSLL西南交通大学rSLOLVtiItt)(223在半波与全波模式中，电感电流的变化略有不同。当电感在半波与全波模式中，电感电流的变化略有不同。当电感电流等于负载电流，续流二极管截止，此状态结束。所以电流等于负载电流，续流二极管截止，此状态结束。所以可得这一状态所需要的时间：可得这一状态所需要的时间：状态状态4t3，t4 续流二极管截止，流过开关的电流为负载

21、电流。续流二极管截止，流过开关的电流为负载电流。这一状态持续到下一次开关断开为止。这一状态持续到下一次开关断开为止。从上分析知：在从上分析知：在ZVS-QRC中，当开关截止时电容上的电压中，当开关截止时电容上的电压脉冲宽度由谐振电路决定，输出直流电压为电源电压与电容脉冲宽度由谐振电路决定，输出直流电压为电源电压与电容上的平均电压之差。为改变输出电压，需要进行频率调制。上的平均电压之差。为改变输出电压，需要进行频率调制。即：保持开关的导通时间不变，改变开关的开通时间。即：保持开关的导通时间不变，改变开关的开通时间。西南交通大学D3iS112VSV23PWM基本电路统一模型基本电路统一模型表1 统

22、一模型各参数间的关系Buckv12=Vii3=IOBoostv12=VOi3=IiBuck-Boostv12=Vi+ VOi3= Ii +IOCukv12=Vi+ VOi3= Ii +IOPWM基本变换器可用图示模型来表示。称为统一模型。基本变换器可用图示模型来表示。称为统一模型。其基本关系如表所示。其基本关系如表所示。根据统一模型，可得到主管根据统一模型，可得到主管S、二极管、二极管D两端的电压波形。两端的电压波形。根据电压波形可计算出开关根据电压波形可计算出开关S、D两端电压的平均值：两端电压的平均值：1201212)1(0121)1(1DvdtvTVvDdtvTVSSDTSDTDSS西南

23、交通大学BuckVi =v12 VO= VDM=DBoostVO =v12 Vi =VSM=1/（1-D）Buck-BoostVO= VD Vi =VSM=D/（1-D）CukVO= VD Vi =VSM=D/（1-D）根据上述电路和波形可得到稳态电压比，如下表所示根据上述电路和波形可得到稳态电压比，如下表所示研究零电流准谐振变换器发现也可用一个统一模型来代表全研究零电流准谐振变换器发现也可用一个统一模型来代表全部的零电流准谐振变换器。注意到升压变换器中二极管的位置部的零电流准谐振变换器。注意到升压变换器中二极管的位置可以变化，这种变化不影响电路的基本拓扑关系。可以变化，这种变化不影响电路的基

24、本拓扑关系。零电流准谐振变换器统一模型零电流准谐振变换器统一模型由统一模型可知，不同的变换器只需要经过各量的变换即可由统一模型可知，不同的变换器只需要经过各量的变换即可得到。注意：在稳态电路中，电感上的直流电压为零。得到。注意：在稳态电路中，电感上的直流电压为零。零电流准谐振变换器统一模型各参数间的关系如下：零电流准谐振变换器统一模型各参数间的关系如下：西南交通大学Buckv12=Vii3=IOV32=VOBoostv12=VOi3=IiV32=VI -VOBuck-Boostv12=Vi+ VOi3= Ii +IOV32=VOCukv12=Vi+ VOi3= Ii +IOV32=VO比较零电

25、流与零电压准谐振变换器，可发现这两种电路具有比较零电流与零电压准谐振变换器，可发现这两种电路具有对偶的性质：如果将其波形图中的电压与电流对调二者完全对偶的性质：如果将其波形图中的电压与电流对调二者完全相同。所以，准谐振变换器出可用统一模型来分析，由对偶相同。所以，准谐振变换器出可用统一模型来分析，由对偶性知，二者的状态变量有相同的表达式。性知，二者的状态变量有相同的表达式。ZVS-QRC统一模型统一模型 1半波模式半波模式 电感电流与电容电压是：电感电流与电容电压是：西南交通大学433322232113131)()(cos0tttitttttitttttittiirrLr43322111212

26、11200)(sin0tttttttttttvvtttvvrrCr西南交通大学式中，式中，0-t1为开关、二极管均关断时间；为开关、二极管均关断时间；t1-t2为为S断断D通时间；通时间；t2-t3为为S、D均通时间；均通时间；t3-t4为为S通通D断时间。断时间。rZiv312rrrLC1rrrCLZ各个时间值可由电路的参数算出（参见上述分析）。所以：各个时间值可由电路的参数算出（参见上述分析）。所以：rrivCt3121rttarcsin12rtt22311将电感电流与电容电压在一个将电感电流与电容电压在一个周期中积分，求出其平均值周期中积分，求出其平均值VC和和IL 西南交通大学3233

27、322313030)(1 (112arcsin1)()(114332211igfiidtidtttidtttidtiTdtiTIrsttttrrtttTLLr式中式中 )(112arcsin2gfr同样，电容电压的平均值同样，电容电压的平均值 西南交通大学12212211121212100)(112arcsin)(sin11vgfvdtttvvtdtvTdtvTVrttrrtTCrCr2全波模式全波模式 电感电流与电容电压是电感电流与电容电压是 433322232113131)()(cos0tttitttttitttttittiirrLr西南交通大学4332211121211200)(sin0

28、tttttttttttvvtttvvrrCrrrivCt3121rttarcsin212rtt22311电感电流与电容电压在一电感电流与电容电压在一个周期中的平均值是个周期中的平均值是 西南交通大学32334332322312131030)(1 (112arcsin21)()(11igfiidtidtttidtttidtiTdtiTIrsttttrrtttTLLr12212211121212100)(112arcsin2)(sin11vgfvdtttvvtdtvTdtvTVrttrrtTCrCr西南交通大学式中式中 )(112arcsin22gfr3零电压开关的条件零电压开关的条件 1123v

29、Zir4电路稳态分析电路稳态分析 按表按表1外接电源、负载可得到基本变换电路。以外接电源、负载可得到基本变换电路。以Buck电路为例电路为例 )(1 ()(1 ()(12121212gVgvvgvVvVSCO)(1 (gVVMSO对全波模式对全波模式 rSOffgVVM1)(1 (西南交通大学多谐振变换器多谐振变换器多谐振变换器指在一个开关周期内有多种谐振拓扑。多谐振开多谐振变换器指在一个开关周期内有多种谐振拓扑。多谐振开关分零电流与零电压种。用多谐振开关代替基本变换器中的关分零电流与零电压种。用多谐振开关代替基本变换器中的PWM开关即得到相应的开关即得到相应的ZCSMRC或或ZVSMRC。P

30、WM 变换器变换成为变换器变换成为MRC的方法：的方法：零电压型：在有源开关旁并一个电容；在整流二极管旁并一零电压型：在有源开关旁并一个电容；在整流二极管旁并一个电容；在开关管与二极管回路间插入一个电感；个电容；在开关管与二极管回路间插入一个电感；零电流型：在有源开关中串入一个电感；在整流二极管中串零电流型：在有源开关中串入一个电感；在整流二极管中串入一个电感；在开关管与二极管回路间并入一个电容器。入一个电感；在开关管与二极管回路间并入一个电容器。 DSC1L2LD1CSL2C西南交通大学ZVS MRC 工作过程分析工作过程分析 以以 BUCK 型型 ZVS MRC 电路为例。电路的一个完整的

31、周期电路为例。电路的一个完整的周期可以分为四种基本的工作模式可以分为四种基本的工作模式 ： 模式模式 1 ：开关：开关S在零电压下导通，在零电压下导通，电感电流小于负载电流电感电流小于负载电流，续，续流管导通续流。其上流过的电流为负载电流与电感电流之差。流管导通续流。其上流过的电流为负载电流与电感电流之差。模式模式 2 （谐振拓扑模式（谐振拓扑模式 1 ）：当电感）：当电感电流上升到负载电流后，续流二极管电流上升到负载电流后，续流二极管 D 断开，断开， L 与与 C2开始谐振。该模式到开始谐振。该模式到开关开关 S 断开时结束。断开时结束。D1CSL2CsV在这段时期，电感电流在输入电压的在

32、这段时期，电感电流在输入电压的作用下线性上升。称电感充电模式。作用下线性上升。称电感充电模式。电感电流等于负载电流此模式结束。电感电流等于负载电流此模式结束。 D1CSL2CsV西南交通大学模式模式 3 （谐振拓扑模式（谐振拓扑模式 2 ) ：当开关：当开关 S 在零电压条件下在零电压条件下（ C作用）关断后，作用）关断后， L 、C1 、C2共同谐振。由于电容共同谐振。由于电容 C1的加入，谐振频率发生了变化的加入，谐振频率发生了变化(由于由于C1上的电压原因，上的电压原因，DS不不能导通能导通)。当。当C2上的电压为零时续流管导通，该模式结束。上的电压为零时续流管导通，该模式结束。D1CS

33、L2CsVD1CSL2CsV模式模式 4 （谐振拓扑模式（谐振拓扑模式 3 ) ：此时开关：此时开关 S 仍然关断、续流仍然关断、续流二极管导通将电容二极管导通将电容 C2 短路，只有电容短路，只有电容 C1 与与 L 谐振。直到谐振。直到开关开关 S 两端电压为零时，两端电压为零时， S 再次导通，电路重新回到电感再次导通，电路重新回到电感充电模式，电路工作模式循环。充电模式，电路工作模式循环。1CSLsV西南交通大学ZVS MRC 的主要特点的主要特点ZVS MRC 的输出电压的调节的输出电压的调节也是通过调节开关频率来实现的。也是通过调节开关频率来实现的。它的输出调节特性优于它的输出调节

34、特性优于 ZVS QRC 。由于电路考虑了开关与整。由于电路考虑了开关与整流二极管的结寄生电容的影响，流二极管的结寄生电容的影响，二者都能在良好的条件下完成开二者都能在良好的条件下完成开关动作。关动作。ZVSMRC 的另一个主的另一个主要优点是在负载变化较大时开关要优点是在负载变化较大时开关管承受的电压应力较低。可以选管承受的电压应力较低。可以选用结电容较大的整流二极管。其用结电容较大的整流二极管。其主要缺点是开关的电流应力较大。主要缺点是开关的电流应力较大。D1CSL2CsVDRVLiSWi1CvDRi123 4西南交通大学与与 ZVS MRC 相对应的有相对应的有 ZCS MRC （零电流

35、多谐振开（零电流多谐振开关变换器）。可以用与之对偶的方法进行分析。但由于零电流关变换器）。可以用与之对偶的方法进行分析。但由于零电流多谐振开关未将开关寄生电容纳入谐振，限制了其高频应用。多谐振开关未将开关寄生电容纳入谐振，限制了其高频应用。 零电流开关零电压开关零电流开关零电压开关 PWM PWM 变换器变换器 ZCS/ZVS PWM 变换器是变换器是 PWM电路与电路与 QRC 电路的结电路的结合，它既可以像合，它既可以像 QRC 电路那样为主功率开关管创造零电流、电路那样为主功率开关管创造零电流、零电压开关条件，又可以像常规零电压开关条件，又可以像常规 PWM 电路一样，通过恒频电路一样，

36、通过恒频占空比调制来调节输出电压。占空比调制来调节输出电压。 为实现为实现 PWM 控制，必须要能将控制，必须要能将 QRC 电路中的谐振过程阻电路中的谐振过程阻断。阻断振荡有两种方法：用一个辅助开关与断。阻断振荡有两种方法：用一个辅助开关与 QRC 电路中电路中的谐振电容串联，称为串联模式；另一种方法是用一个辅助的谐振电容串联，称为串联模式；另一种方法是用一个辅助开关与开关与 QRC 电路中的谐振电感相并联，称并联模式。电路中的谐振电感相并联，称并联模式。西南交通大学ZCS 一一 PWM 变换器变换器图示一个图示一个 Buck 型型 ZCS 一一 PWM变换变换电路。该电路在谐振电容上串联了

37、一电路。该电路在谐振电容上串联了一个功率开关个功率开关S2 及其反并联的二极管，及其反并联的二极管，它属于串联模式。它属于串联模式。 ZCS 一一 PWM 变变换器共有换器共有 6 个基本工作模式。个基本工作模式。初始情况是初始情况是 S1S2均断开，续流管续流。均断开，续流管续流。模式模式 1 ：电感线性充电模式。主管：电感线性充电模式。主管 S1导通，电感上的电压为电源电压，于是导通，电感上的电压为电源电压，于是电感电流线性上升。当电感电流达到负电感电流线性上升。当电感电流达到负载电流时续流二极管关断，该模式结束。载电流时续流二极管关断，该模式结束。 2SC1SLsV1SLsV西南交通大学

38、C1SLsV模式模式 3 ：电感恒流模式。若：电感恒流模式。若 S2不导通，负载电流经电感不导通，负载电流经电感 L 流动，电源为负载供电。这是流动，电源为负载供电。这是PWM模式。模式。 C1SLsV模式模式 2 ：谐振模式。当续流二极管关断后，谐振电容与电：谐振模式。当续流二极管关断后，谐振电容与电感产生串联谐振。谐振电流经感产生串联谐振。谐振电流经S2的二极管流动，电容电压的二极管流动，电容电压升高。当电感电流回落到负载电流时，电容电压达到升高。当电感电流回落到负载电流时，电容电压达到 2 倍倍电源电压。由于电源电压。由于 S 2中中 D 的单向性，电容电压保持不变，的单向性，电容电压保

39、持不变， D 截止。截止。西南交通大学模式模式 4 ：谐振模式。当导通：谐振模式。当导通S2时，电容经电感反向振荡。振时，电容经电感反向振荡。振荡使流过荡使流过S1中的电流变小并最终到零，然后电流经中的电流变小并最终到零，然后电流经 S1中的二中的二极管流过，给极管流过，给S1创造零电流关断条件。同时创造零电流关断条件。同时C中的储能被反馈中的储能被反馈回直流电源。当电容电流回落到负载电流时回直流电源。当电容电流回落到负载电流时S1中的中的 D 断开，断开，该模式结束。该模式结束。 S1必须在其二极管停止导电前关断。必须在其二极管停止导电前关断。 模式模式 5 ：电容恒流放电。此时，电容为负载

40、供电。负载电流：电容恒流放电。此时，电容为负载供电。负载电流经经 C 流动，电容电压线性下降。当电容电压为零后，续流管流动，电容电压线性下降。当电容电压为零后，续流管导通续流。导通续流。 2SC1SLsV2SC1SLsV西南交通大学从以上分析知，拓扑模式从以上分析知，拓扑模式 1 、 2 、 4 、 5 与与 ZCS QRC 完全相同，而拓扑完全相同，而拓扑模式模式 3 、 6 则是标准的则是标准的 PWM 运行模运行模式。所以，这种变换器称为式。所以，这种变换器称为 ZCS PWM。ZCS 一一 PWM 变换器的主要特点：变换器的主要特点： 变换器输出电压可由调节占空比来进行控制。主管零电流

41、变换器输出电压可由调节占空比来进行控制。主管零电流关断条件与关断条件与 QRC相同。主管电流应力大，整流管子的电压相同。主管电流应力大，整流管子的电压应力大。由于谐振电感在主功率电路上，所以应力大。由于谐振电感在主功率电路上，所以 ZCS 条件与条件与电源电压、负载状态有关。电源电压、负载状态有关。 模式模式 6 ：续流模式。续流二极管导通，负载电流经它流动。：续流模式。续流二极管导通，负载电流经它流动。 1S2SLiCv123465西南交通大学ZVS 一一 PWM 变换器变换器图示图示Buck 型型 ZVS 一一 PWM变换电路。变换电路。该电路是该电路是 ZCS 一一 PWM 变换器的对变

42、换器的对偶。偶。电路中开关电路中开关S2与谐振电容与谐振电容C串联。串联。电路电路共有共有 6 个基本工作模式。个基本工作模式。假定假定初始情况是初始情况是 S1稳定导通，负载电流由电源经稳定导通，负载电流由电源经S1、谐振、谐振电感电感L流向负载。流向负载。模式模式 1 ：电容恒流充电模式。当主开关：电容恒流充电模式。当主开关S1关断（关断（零电压零电压下关断、电容下关断、电容 C 经经 S2与与S1 并联）后，负载电流经电容流动，并联）后，负载电流经电容流动，电容恒流充电。当电容电压等于电源电电容恒流充电。当电容电压等于电源电压时，该模式结束。压时，该模式结束。 2SC1SLsV2SC1S

43、LsV西南交通大学模式模式 2 ：电容谐振充电模式。电容电：电容谐振充电模式。电容电压等于电源电压时，续流二极管压等于电源电压时，续流二极管 DR 导通，负载电流向续流管转移，电感导通，负载电流向续流管转移，电感与电容开始振荡。当电容电压达到最与电容开始振荡。当电容电压达到最大值时，由于大值时，由于S2中的中的 D2的单向性，电的单向性，电容电压保持，容电压保持， D2截止。截止。 2SC1SLsV 2SC1SLsV模式模式 3 ：续流模式。：续流模式。 PWM 模式。在模式。在S2 未导通前，负载电流经未导通前，负载电流经DR续流。续流。模式模式 4 ：电容谐振放电模式。：电容谐振放电模式。

44、 S2（在（在零电流条件下，因电感与其串联，电感零电流条件下，因电感与其串联，电感电流为零）导通后，电感与电容再次产电流为零）导通后，电感与电容再次产生谐振，直到电容电压为零时为止。生谐振，直到电容电压为零时为止。 2SC1SLsV西南交通大学模式模式 5 ：电感充放电。电容电压为零时：电感充放电。电容电压为零时S1 中中 D1导通（导通（S2通时通时C1与与D1并联），电感电流经并联），电感电流经 D1向电源放电，所以电感电流直向电源放电，所以电感电流直线下降。当电感电流下降到零前，线下降。当电感电流下降到零前，S1已经给出零电压下导通已经给出零电压下导通信号，所以当电感电流下降到零时将立刻

45、通过导通的信号，所以当电感电流下降到零时将立刻通过导通的S1 反向反向线性增大。线性增大。 2SC1SLsV2SC1SLsV模式模式 6:S1稳定导通模式。稳定导通模式。 PWM 模式。电感电流等于负载模式。电感电流等于负载电流时，续流管断开电流时，续流管断开 。2SC1SLsV西南交通大学从以上分析知，拓扑模式从以上分析知，拓扑模式 1 、 2 、 4 、 5 与与 ZVS QRC 完全相同，完全相同，而拓扑模式而拓扑模式 3 、 6 则是标准的则是标准的 PWM 运行模式。运行模式。ZVS 一一 PWM 变换器的主要特点：变换器的主要特点：变换器输出电压可由调节占空比来变换器输出电压可由调

46、节占空比来进行控制；辅管是零电流通断。进行控制；辅管是零电流通断。为实现软开关条件，谐振电流应当小于负载电流（见模式为实现软开关条件，谐振电流应当小于负载电流（见模式2）；）；ZVS PWM 变换器主管在零电压下导通（见模式变换器主管在零电压下导通（见模式5）关断；）关断；电压应力过大并且与负载有关。由于谐振电感串接在主电路中，电压应力过大并且与负载有关。由于谐振电感串接在主电路中，其其 ZVS 条件与电源电压与负载有关。当电路轻载或空载时，可条件与电源电压与负载有关。当电路轻载或空载时，可能失去能失去 ZVS 的条件。的条件。1S2SLiCv1 234 56西南交通大学零电压转换与零电流转换

47、零电压转换与零电流转换ZVT /ZCT 一一 PWM 变换器变换器在上述的各种变换拓扑中的问题：在上述的各种变换拓扑中的问题：显著地增加了开关管的电压或电流应力，使电路的损耗明显著地增加了开关管的电压或电流应力，使电路的损耗明显增加并增大了电容、电感的尺寸与重量。显增加并增大了电容、电感的尺寸与重量。将谐振元件放在电路的主功率通道上，除了增加开关的应将谐振元件放在电路的主功率通道上，除了增加开关的应力外，还使电路有很大的环流能量，增加了电路的损耗。力外，还使电路有很大的环流能量，增加了电路的损耗。储能元件的储能依赖于输入电压与输出负载。影响了电路储能元件的储能依赖于输入电压与输出负载。影响了电

48、路的的“软软”工作区域。工作区域。ZVT /ZCT PWM 变换器的主要特点：变换器的主要特点：将谐振网络从主功率通路上移开，其谐振网络与主开关并联。将谐振网络从主功率通路上移开，其谐振网络与主开关并联。在很短的一段时间间隔内，辅助电路起作用，为主管创造在很短的一段时间间隔内，辅助电路起作用，为主管创造 ZCS 或或 ZVS 的开关条件。转换结束后，电路回到常规的的开关条件。转换结束后，电路回到常规的PWM 工作方式。工作方式。 西南交通大学ZCT PWM 变换器变换器 零电流转换开关的结构示意图。其中零电流转换开关的结构示意图。其中S1为主开关；为主开关；S2为辅助开关。将此开关引为辅助开关

49、。将此开关引入常规的入常规的 PWM 开关变换器中即得到相开关变换器中即得到相应的应的 ZCT PWM 变换器。变换器。 RD2SC1SLabc2D以以 BOOST 型型 ZCT PWM 变换器来说明电路的基本工作变换器来说明电路的基本工作原理。原理。电路中，电路中， S1为主管，为主管， S2为辅管，电路的初始状态：为辅管，电路的初始状态：主管主管 S1与辅管与辅管 S2均为关断均为关断状态，状态，输入电流经升压电感、输入电流经升压电感、续流管给负载供电。电容续流管给负载供电。电容C上有初始电压（上正下负）上有初始电压（上正下负）RD2SfLsVC1SL1DoV西南交通大学模式模式 1 ：主

50、开关：主开关 S1 导通。升压电感储能，同时，谐振电导通。升压电感储能，同时，谐振电容与电感通过容与电感通过 S1 、 D2谐振，当电容电压极性颠倒并达到负谐振，当电容电压极性颠倒并达到负的最大值时，该模式结束。的最大值时，该模式结束。 RD2SfLsVC1SLoV模式模式 2 ：升压电感继续储能。电容电压保持不变。谐振电：升压电感继续储能。电容电压保持不变。谐振电感电流保持为零。感电流保持为零。 模式模式 3 ：在关断主管前导通辅管：在关断主管前导通辅管 S2 。 S2导通后导通后 L 、C与与 S2 、S1构成谐振电路。当谐振电流等于输入电流时，构成谐振电路。当谐振电流等于输入电流时， S

51、1 中中的电流为零，之后，谐振电流继续增大，与的电流为零，之后，谐振电流继续增大，与 S1 反并联的二反并联的二RD2SfLsVC1SLoV西南交通大学极管极管 D1导通。经导通。经 1 / 4 周期，电流达到最大值然后下降。当电周期，电流达到最大值然后下降。当电流下降到再次等于输入电流时，流下降到再次等于输入电流时， D1中电流为零，中电流为零， D1关断，关断，该模式结束。当该模式结束。当 D1导通时导通时 S1 可实现零电流关断。可实现零电流关断。模式模式 4 ：当谐振电流下降到输：当谐振电流下降到输入电流时，入电流时， D1截止、截止、 DR 导通。导通。此时关断此时关断 S2 , L

52、 、C 通过通过 D2构成谐振回路产生谐振，构成谐振回路产生谐振，RD2SfLsVC1SLoVRD2SfLsVC1SLoVRD2SfLsVCLoV西南交通大学电容电压上升，谐振电流下降。当谐振电感电流下降到零后电容电压上升，谐振电流下降。当谐振电感电流下降到零后通过续流二极管的电流为电源电流，此时该模式结束。通过续流二极管的电流为电源电流，此时该模式结束。模式模式 5 ：当电感电流下降到：当电感电流下降到零、电容电压上升到最大值零、电容电压上升到最大值之后由于电容无放电路径，之后由于电容无放电路径，电路停止谐振，电路进入常电路停止谐振，电路进入常规规 PWM 模式。升压电感向模式。升压电感向负

53、载放电。电路回到初始状负载放电。电路回到初始状态。态。 主要波形如图主要波形如图 所示。所示。 BOOST 型型 ZCTPWM 电路的主要特点：电路的主要特点： 1S2SLiCv1SiDRi12342Si54西南交通大学为实现主管的零电流关断必须使谐振电流的幅值大于输入为实现主管的零电流关断必须使谐振电流的幅值大于输入电流的幅值。否则主管无法实现零电流关断。电流的幅值。否则主管无法实现零电流关断。由于主管是在零电流下关断，它降低了由于主管是在零电流下关断，它降低了 IGBT 类开关的关断类开关的关断损耗（损耗（ IGBT 有大的尾部电流）而主管的电压与电流应力没有大的尾部电流）而主管的电压与电

54、流应力没有大的增加。有大的增加。软开关条件与输入、输出无关。软开关条件与输入、输出无关。主管是硬开通的，有大的开通损耗；主管是硬开通的，有大的开通损耗；辅管是硬关断的；有大的关断损耗。辅管是硬关断的；有大的关断损耗。为解决上述问题，有大量的改进方法为解决上述问题，有大量的改进方法 ZVTPWM 变换器变换器 图为零电压转换开关的结构图。将此开关引入常规的图为零电压转换开关的结构图。将此开关引入常规的 PWM 开关变换器中即得到相应的开关变换器中即得到相应的 ZVT PWM 变换器。变换器。 RD2SC1SLabc2D西南交通大学电路的初始状态是主管电路的初始状态是主管S1 与辅管与辅管 S2均

55、为关断状态均为关断状态，输入电流经升压电，输入电流经升压电感、续流管感、续流管 DR 给负载供电。由于给负载供电。由于 DR 导通，导通，C上电压为输出电压，极上电压为输出电压，极性上正下负。性上正下负。 RD2SfLsVC1SL1DoV2D模式模式 1 ：导通辅管：导通辅管S2（零电流下导（零电流下导通），谐振电感中的电流在输出电通），谐振电感中的电流在输出电压的作用下线性增大，二极管压的作用下线性增大，二极管 DR 中的电流线性下降。当谐振电感中中的电流线性下降。当谐振电感中的电流达到输入电流时的电流达到输入电流时 DR 截止，截止，此模式结束。此模式结束。BOOST 型型 ZVT PWM

56、 变换器电路如图。电路的基本工变换器电路如图。电路的基本工作原理如下：作原理如下：RD2SfLsVC1SL1DoV2D西南交通大学模式模式 2 ：谐振电感中的电流等于输入电流、：谐振电感中的电流等于输入电流、 DR 断开后，输断开后，输出电压对电容出电压对电容 C 的强制作用解除。所以的强制作用解除。所以 L 与与 C 开始谐振，开始谐振， C 中储能向中储能向 L 中转移，电感电流继续增大。当电容电压变中转移，电感电流继续增大。当电容电压变到零时，电感电流达到最大，此时该模式结束。到零时，电感电流达到最大，此时该模式结束。 RD2SfLsVC1SL1DoV2D模式模式 3 ：当电容电压到零时

57、，与：当电容电压到零时，与 S1反并的二极管反并的二极管 D1 导通，导通，电容电压被钳位到零，谐振电路停止谐振，电感电流保持电容电压被钳位到零，谐振电路停止谐振，电感电流保持恒定。此时恒定。此时 S1 在零电压下导通。当在零电压下导通。当 S2关断时此模式结束。关断时此模式结束。 RD2SfLsVC1SL1DoV2D西南交通大学模式模式 4 ：辅助开关：辅助开关S2硬关断。谐振电感电流通过二极管硬关断。谐振电感电流通过二极管 D 流流向输出端，并在输出电压向输出端，并在输出电压 VO的作用下线性下降。由于谐振电的作用下线性下降。由于谐振电感电流大于输入电流，感电流大于输入电流， D1将导通续

58、流，以满足将导通续流，以满足 KCL 。当谐。当谐振电感电流下降到输入电流时振电感电流下降到输入电流时D1中的电流为零。当谐振电感中的电流为零。当谐振电感电流下降到零时，电流下降到零时， S1 中的电流上升到输入电流的值（注意到中的电流上升到输入电流的值（注意到此时此时 S1 已经给出了导通信号）。本模式结束。已经给出了导通信号）。本模式结束。RD2SfLsVC1SL1DoV2DRD2SfLsVC1SL1DoV2D模式模式 5 :S1中的电流为输入电流值。电路保持这种状态，即中的电流为输入电流值。电路保持这种状态，即 S1导通，导通， D1 、 S2 、 D2均关断，电路以常规均关断，电路以常

59、规 PWM 方式运方式运行，谐振电感电流与电容电压均为零。行，谐振电感电流与电容电压均为零。西南交通大学RD2SfLsVC1SL1DoV2D模式模式 6 ：关断：关断 S1 。由于电容的作用，。由于电容的作用， S1是零电压关断（电是零电压关断（电容电压不跳变）输入电流经电容流动给电容恒流充电，电容电压不跳变）输入电流经电容流动给电容恒流充电，电容电压线性升高。当电容电压上升到容电压线性升高。当电容电压上升到输出电压输出电压时，续流管时，续流管DR导通，此模式结束。导通，此模式结束。RD2SfLsVC1SL1DoV2D模式模式 7 : DR 导通，主电路回复到初始状态，。电路以常导通，主电路回

60、复到初始状态，。电路以常规规 PWM 方式运行。方式运行。 ZVT PWM 变换电路的主要特点：变换电路的主要特点： 西南交通大学优点：主开关优点：主开关S1 在零电压条件下完成导通与关断。主开关在零电压条件下完成导通与关断。主开关的电压与电流应力未有明显地增大；当负载及输入电压在的电压与电流应力未有明显地增大；当负载及输入电压在宽的范围内变化时，均可实现软开关过程；环流能量小。宽的范围内变化时，均可实现软开关过程；环流能量小。可采用可采用 PWM 方式来控制输出电压。方式来控制输出电压。 缺点：辅助开关缺点：辅助开关 S2处于硬开关状态，即处于硬开关状态，即S2在高电压、大在高电压、大电流下