一种新型ZCS-PWM Buck变换器研究

1 引 言

与功率场效应管(MOSFET)相比，绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有更高的耐压值、更大的能量密度和较低的开通损耗，因此己广泛用于高压、大功率场合。然而，IGBT的开关速度较慢，而且关断时还存在电流拖尾现象，因而会导致较大的关断损耗。解决这两个问题的有效措施是实现IGBT的零电流开关(ZCS)。为此，近几年已陆续提出了多种ZCS脉宽调制(Pulse Width Modulated，简称PWM)技术方案[1-3]。例如，文献[2，3]虽能实现所有有源开关器件的ZCS，但主开关管的电流应力很大，它将显著增加导通损耗。这一问题在文献[4]中得到解决，但辅助开关管的电流应力也很大。而且由于两个谐振电感分别与主开关管、辅助开关管串联，所以损耗较大，且结构复杂。为了有效解决这一问题，文献[5]提出并研究了基于一种新型ZCS PWM开关单元的Boost变换器。在此基础上研究了基于该新型ZCS PWM开关单元的Buck变换器。它在传统Buck电路的基础上增加了一条谐振支路和一条由辅助开关管与二极管串联而成的辅助支路。在整个负载范围内。该新型ZCS PWM Buck变换器的主开关管和辅助开关管均工作在ZCS状态，所有无源开关器件均工作在ZVS状态，因此开关损耗为零。此外，该变换器的谐振电感不再与主开关管和辅助开关管串联，使得损耗明显减小，因此适用于所有使用IGBT的大功率场合。在此。分析了该变换器的工作原理，并通过一台300W，30kHz样机验证了该电路的可行性。

2 工作原理

2.1 主电路拓扑

图1示出新型ZCS PWM Buck变换器。它由主开关管VS1、辅助开关管VS2、3个二极管VD1～VD3、两个谐振电感Lr1,Lr2及一个谐振电容Cr组成。VS1起到将能量传输到负载的作用;通过VS2传输的能量占总负载能量的比例很小，流过它的电流平均值也很小。

2.2 工作模态的分析

为便于分析新型ZCS PWM Buck变换器的工作原理，首先假设：①变换器工作已达到稳态;②所有功率电子器件均为理想器件;③电感、电容均为理想储能元件;④输入电压Uin恒定;⑤输出滤波电感Lo足够大，使得流过L。的电流iLo可视为恒流Io。这样，Lo，Co及负载电阻RL也可看成是一个电流值为Io的恒流源;⑥谐振电感远小于Lo，即Lr1

(1)模态1[t0～t1]该模态的等效电路见图2a。在t0时刻前，VS1和VS2都处于关断状态，Lo上的电流Io通过VD2，Lr2，VD1和Lr1续流。此时，流过谐振电感的电流为恒流，所以其端电压均为零，Cr上的端电压uCr也为零。VS1和VS2承受的电压均为Uin。

在t0时刻，VS1开通，加在Lr1，Lr2上的电压为Uin，其电流从Io开始线性下降，而流过VS1的电流iVS1，开始从零线性上升，所以VS1为零电流开通。

(2)模态2[t1～t2]该模态的等效电路见图2b。在该阶段，VS1继续维持导通，此时：

模态2的持续时间为△t2=t2-t1=DTs-Δt1(D为占空比，Ts为开关周期)。

(3)模态3[t2-t3] 该模态的等效电路见图2c。在t2时刻，VS2开通，此时uVD1(t)=0，Lr1和Cr将通过Uin和VS2发生串联谐振，流经VS2的电流iVS2将由零逐渐上升，所以VS2为零电流开通。

(4)模态4[t3～t4]该模态的等效电路见图2d。由于VS2已经关断，故Lr1，Lr2和Cr将通过VD1，VD2，VS1和Uin发生串联谐振。

(5)模态5[t4-t5] 该模态的等效电路见图2e。Lr1，Lr2和Cr将通过VS1的反并二极管继续谐振。