黄 兴，石 磊

● (1．海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室，上海 200129； 2.海军驻芜湖地区军事代表室，安徽 芜湖241001)

ZVZCT-PWM SEPIC变换器的损耗分析

黄 兴1，石 磊2

● (1．海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室，上海 200129； 2.海军驻芜湖地区军事代表室，安徽 芜湖241001)

针对直流变换器的高损耗问题，对ZCZVT-PWM型SEPIC直流变换器进行了全面分析，对其损耗进行了定量计算，建立了器件的损耗数学模型，为进一步研究该型电路拓扑的软开关技术和参数设计奠定了理论基础。

ZCZVT-PWM；SEPIC；损耗；软开关

0 引言

随着海军舰船电气领域的飞速发展，大规模的电力电子设备被应用在舰船电器中。为了保障舰船在紧急时刻核心设备的不间断供电，现在舰船中配备了直流蓄电池电源。为了更加高效地利用这有限的宝贵资源，直流变换器的损耗问题就显得尤为重要。关于直流变换器损耗问题的研究，国内外文献[1-3]多建立在对电路原理的数学仿真上，而对其损耗机理的定量分析和计算尚不多见。本文在普通硬开关SEPIC和ZVZCT-PWM SEPIC电路的基础上，通过合理化假设，建立器件的损耗数学模型，对其进行了定量分析计算。

1 SEPIC变换器开关损耗分析

在开关电路中，主要的热耗元件是功率开关管、续流二极管以及输入输出电感，在这里对上述元件的损耗进行分析和计算[4-5]。

1.1 功率开关器件的损耗分析

在该变换器中，采用功率开关器件(MOSFET)的开关管，其损耗主要为通态损耗和开关损耗。

1）通态损耗。由导通电阻Rds(on)产生的功耗，可表示为：

式中：Ids为导通电流有效值；Dy为开关管导通占空比。

2）开关损耗。由开通损耗、关断损耗和容性开通损耗组成。其中开通损耗、关断损耗是由开关管开关时产生的，产生的原因主要是：在开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行，出现电压电流波形交叠，产生了开关损耗，并随开关频率的增加而增大。

将开关管电流和电压按线性处理，如图1所示的理想开关状态波形，则开通损耗就是在开关管开通时间(0～tr)内所承受的电压和电流乘积的积分，即：

图1 开关时刻理想电压、电流波形

同理，关断损耗为：

式中：di/dt，dV/dt为电流、电压变化率（其中，di/dt=(Iin+I0/tr(f))，dV/dt=(Vin+V0/tr(f))）；Iin+I0为开通时流过开关管的电流；Vin+V0为关断时开关管两端的电压；tf、tr为关断时下降、上升的延时；fs为变换器的工作频率。

MOSFET工艺同其他工艺器件相比，其管芯所允许的电流密度较小，大电流器件的管芯面积要求就较大，因此漏源极之间的寄生电容Cds较大，开关开通时，其储藏的能量耗散在沟道上，形成容性开通损耗。容性开通的损耗为：

由式（1）～式（4），可得到总损耗为：

1.2 续流二极管(FRD)的损耗分析

在电路中，续流二极管经常使用快速恢复二极管(FRD)，它具有正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。快速恢复二极管的损耗主要分为通态损耗和恢复损耗。

1) 通态损耗。通态损耗为：

式中：VDF、IF为正向导通电压、电流；Dy为导通占空比。

2）恢复损耗。恢复损耗主要是由于二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，这个时间内它仍处于导通过程，造成反向电流和电压波形的叠加，产生损耗。由于二极管在关断时的恢复过程很多参数不易测量，可通过对其恢复过程合理化假设，对其恢复损耗进行估算，可以假设延迟时间与下降时间近似相等。按图2的理想恢复波形处理，这里假设反向恢复时间为trr=2(t2- t1)=2(t3- t2)。

图2 理想化的反向恢复过程

则其恢复损耗为：

式中：Vrm、Irm为反向恢复电压、电流峰值；di/dt、dV/dt为电流、电压的上升率；fs为变换器的工作频率。

由式(6)、(7)可得功率整流二极管的总损耗为：

从以上分析可以得出，根据功率 MOSFET、续流二极管在硬开关电路中的工作原理，其损耗主要由器件的物理特性决定，限制了电路的工作频率的进一步提高，特别是在高于300kHz时，其损耗已经很大，由于损耗引起温升，降低了可靠性。所以在大功率电源中，传统的硬开关SEPIC电路存在严重的缺陷。通过使用新器件，如大功率容量、 低通态损耗的 IGBT，超快速恢复二极管(UFRD)等，它们可以减小部分开关损耗，但还是使用受到限制。

2 ZCZVT-PWM SEPIC电路开关损耗分析

在ZCZVT-PWM SEPIC电路中增加了软开关部分，因此在分析开关损耗时必须将其考虑在内，进行全面分析。

2.1 主开关管S的损耗分析

1）通态损耗。通态损耗按式（9）计算。

式中：IS(ds)为导通电流有效值；RS(ds)为主开关管S的通态电阻值；Dy为主开关管S导通占空比。

2）开关损耗。因为主开关管式零电压零电流开关，所以开通、关断损耗和容性损耗为：

则主开关管S的总损耗为：

2.2 辅助开关管Sa的损耗分析

1）通态损耗。通态损耗为：

式中：IS(ds)为导通电流有效值；RS(ds)为主开关管 Sa的通态电阻值；Dy为主开关管Sa导通占空比。

2）开关损耗。因为辅助开关管式零电流开通，零电压零电流关断，所以有开通损耗：

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

3）容性开通损耗：

则辅助开关管总损耗为：

2.3 续流二极管的损耗分析

在该型变换器中，续流二极管 VD(FRD)实现了零电压零电流关断，零电压开通。所以有：

1）通态损耗：

式中：VVD(F)、IVD(F)为续流二极管的正向导通电压电流。

2）恢复损耗：由于该二极管实现了零电压零电流关断，所以有Prec≈0。

2.4 辅助二极管VD1的损耗分析

VD1除了谐振过程的通态损耗外，在t6时刻还有一个恢复损耗，利用式（7），可以得到：

这里di/dt=Vin/Lr，VVD1(rm)为续流二极管VD1的反向恢复电压峰值。

3 结论

通过本文的分析计算，得出了ZCZVT-PWM型SEPIC电路的损耗计算公式，为研究该型电路拓扑的软开关技术和参数设计奠定了基础。节约了舰船上有限的宝贵能源，为直流变换器在紧急时刻最大限度发挥保障安全作用，提供了设计和理论依据。

[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]杨旭,王兆安.零电压过渡PWM软开关电路的损耗分析[J].电力电子技术,1999,10(1):29-32.

[5]窦伟,黄念慈.Boost电路的损耗分析[J].四川大学学报:工程科学版,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

黄兴(1980-)，男，工程师，大学本科。研究方向：舰船电气。