陈健鑫

0 引言

基本的Boost ZVT PWM 变换器虽然实现了主开关管工作在软开关状态，但其辅助开关管却工作在硬开关状态，产生很大的关断损耗。为了改善辅助开关管的工作环境，本文提出了一款改进型的Boost ZVT PWM 变换器，能实现辅助开关管工作在软开关状态，从而降低辅助开关管的关断损耗，提高了整个系统的工作效率。

1 改进型Boost ZVT PWM 主电路拓扑和工作原理

1.1 主电路拓扑结构图

图1 改进型Boost ZVT PWM 变换器主电路的拓扑结构图

为改善基本的Boost ZVT PWM 电路辅助开关管的开关环境，对原电路的拓扑结构做了改进，主要在辅助支路上增加了谐振电容Ca 及其并联的二极管D1，在主开关管Q1和辅助开关管Qa 分别增加了反并二极管DQ1和DQa。改进型Boost ZVT PWM 变换器主电路的拓扑如图1 所示。电容Ca与电感Lr 构成串联谐振，而二极管D1则可以使电容Ca 的反向电压保持为零，反并二极管DQ1导通可以实现主开关管Q1零电压开通，而反并二极管DQa导通则可以实现辅助开关管Qa零电压关断，从而降低辅助开关管的关断损耗。

1.2 电路工作原理

改进型Boost ZVT PWM 变换器的理论波形如图2 所示。在一个开关周期中，该变换器有7 种开关模态。下面结合主电路拓扑结构图和理论波形图逐一给予分析。

图2 新型Boost ZVT PWM 变换器的理论波形

1.2.1 开关模态1[t0，t1]

在t0时刻，辅助开关管Qa 开通，流过谐振电感Lr 的电流iLr从零开始上升，电容Ca 的电压也跟着从零开始上升，辅助开关管Qa 实现零电流开通。随着谐振电感Lr 的电流iLr不断增长，流过二极管D 的电流则不断下降。在t1时刻，iLr上升到Ii 时二极管D 上的电流减小到零，D 自然关断，开关模态1 结束。

1.2.2 开关模态2[t1，t2]

在t1时刻，由于二极管D 关断，谐振电感Lr 同电容Ca 发生串联谐振，电感Lr 电流iLr和电容Ca 上电压均继续谐振上升。同时，谐振电感Lr 同谐振电容Cr 发生并联谐振，谐振电容Cr 开始放电，电压下降。当谐振电容Cr 的电压减小到0 时，主开关管Q1上的反并二极管DQ1导通，从而使主开关管Q1的电压为零。此时开通主开关管Q1，则Q1是零电压开通，开关模态2结束。

1.2.3 开关模态3[t2，t3]

在t2时刻之后，Lr 和Ca 继续谐振，电感Lr 电流iLr继续减小，电容Ca 上的电压继续谐振上升，反并二极管DQ1的电流继续减小。当电感Lr 电流iLr减小到Ii，反并二极管DQ1的电流减小为0，DQ1截止（图中阴影部分为DQ1导通），主开关管的电流从零开始上升，电感Lr 电流iLr继续减小，电容Ca 上的电压继续谐振上升。当电感Lr 电流iLr减小到0 时，电容Ca 上的电压达到最大值，Q1上电流为输入电流Ii。此时，Lr 和Ca 继续谐振，Ca 放电，电感Lr 电流iLr反向增加，Q1上电流继续增加。当电容Ca 上的电压减小到0 时，电感Lr 电流iLr为负的最大值，而Q1上电流到达正的最大值。

1.2.4 开关模态4[t3，t4]

在t3时刻，电感Lr 电流iLr通过Q1、辅助开关管Qa 的反并二极管DQa、电容Ca 上的反并二极管D1线性减小直到再次为零，Q1上电流也减小为Ii。由于辅助开关管Qa 的反并二极管DQa 导通，所以此时关断Qa，则Qa 是零电压关断。开关模态4结束。

1.2.5 开关模态5[t4，t5]

该模态与基本的Boost 变换器一样，升压电感Lf的电流流过Q1，滤波电容给负载供电。

1.2.6 开关模态6[t5，t6]

在t5时刻，主开关管Q1关断，升压电感Lf开始对电容Cr进行充电，所以Q1是零电压关断的。电容Cr 电压从零开始线性上升，直到电压为Vo，此时二极管D 自然导通，开关模态6结束。

1.2.7 开关模态7[t6，t7]

该模态和基本的Boost ZVT PWM 变换器一样，电源Vin 和升压电感Lf给滤波电容Cf 充电，同时向负载供电。在t7时刻，辅助开关管Qa 开通，开始下一个开关周期。

2 仿真结果分析

为了验证分析的有效性与合理性，本文利用Matlab/Simulink仿真软件对改进型Boost ZVT PWM 变换器电路进行了仿真研究，输入直流电压Vin=200 V，输出直流电压Vo=360 V，升压电感Lf=100 μH，滤波电容Cf=1 000 μF，辅助电感Lr=1 μH，辅助电容Ca=4 μF，谐振电容Cr=2 μF，开关频率fs=10 kHz，主开关管的延迟时间td1=3.5 μS，主开关管的占空比D1= 44.4%，辅助开关管的延迟时间td2=0 μS，辅助开关管的占空比D2=8%。仿真波形如图3 和图4 所示。

从仿真波形图中可以看出，改进型Boost ZVT PWM 变换器的主开关管能很好地实现零电流零电压开通和零电压关断，而辅助开关管能很好地实现零电流开通和零电压关断，有效地降低了辅助开关管的关断损耗，提高了整个系统的工作效率。下面对该电路在不同的输入直流电压时的效率进行比较。

图3 新型Boost ZVT PWM 变换器的仿真波形

图4 主开关管的电流和电压波形

（1）输入直流电压Vin=200VDC，主开关管的占空比D=44.4%时，其效率η=91.7%。

（2）输入直流电压Vin=220VDC，主开关管的占空比D=38.6%时，其效率η=95%。

（3）输入直流电压Vin=250VDC，主开关管的占空比D=30%时，其效率η=96%。

从上面的比较可以看出，随着输入直流电压的升高，新型Boost ZVT PWM 变换器的效率也随着上升。

3 结论

本文分析了改进型Boost ZVT PWM 变换器的基本原理，得出它的理论波形，并对其进行仿真分析，仿真波形基本与理论波形相同。因此该变换器的主开关管能很好地实现零电流零电压开通和零电压关断，而辅助开关管能很好地实现零电流开通和零电压关断，有效地降低了辅助开关管的关断损耗，提高了整个系统的工作效率。总的来说，该电路的效率跟基本的Boost ZVT PWM 变换器的相比，有了较大的提高。