中心議題：

• 零轉換PWM DC-DC變換器的拓撲綜述

解決方案：

• 一種改進的ZCT-PWM變換器
• ZCZVT-PWM變換器

1　引言

為了減小功率變換器的體積、重量和開關損耗，提高開關頻率和工作效率，在DC-DC變換器中常采用軟開關技術
，以實現主開關管的零電壓（零電流）開通或 關斷。具體的方法有四種： 零電壓準諧振變換器（ZVS-QRC），零電壓多諧振變換器（ZVS-MRC），ZVS-PWM變換器和零轉換PWM變換器。

一般而言
，ZVS-QRC變換器[1]電壓應力較大，且電壓應力與負載變化範圍成正比
；ZVS-MRC變換器[2]也具有較大的電壓應力和電流應 力；ZVS-PWM變換器[3]則因串聯諧振網絡而導致大的導通損耗。而零轉換PWM變換器則不同，它克服了前麵三種結構的缺點，電路性能大為改善。其電 路結構的特點在於：它的諧振網絡與主開關管並聯；在開關轉換期間，諧振網絡產生諧振
，獲得零開關條件；在開關轉換結束後，電路又恢複到正常的PWM工作方 式。這種電路結構給其帶來了四個方麵的優點：(1)功率開關器件工作在軟開關條件下，承受的電壓
、電流應力較低；(2)在整個輸入電壓和負載範圍內

，都能 較好地保持零電壓特性；(3)輔助諧振網絡並不需要處理很大的環流能量
，因此電路的導通損耗較小
；(4)采用PWM控製方式
，實現了恒頻控製。

由於零轉換PWM電路的突出優點，使其得到了廣泛研究和應用。最近幾年裏
，出現了許多新的零轉換PWM拓撲結構，其中以ZVT-PWM變換器的一些改進、ZCT-PWM變換器
、以及ZCZVT-PWM變換器等幾種特色比較突出。本文將對這幾種拓撲結構作簡要介紹，重點分析它們的工作原理，並剖析它們的優缺點。

2　ZVT-PWM變換器及其改進

2.1 普通的ZVT-PWM變換器

圖1
圖1所示是文獻[4]提出的普通Boost ZVT-PWM變換器的拓撲結構。它在主開關管S之上，並聯了一個由諧振電容Cr（其中包含了主開關S的輸出電容和二極管D的結電容）、諧振電感Lr
、輔助開關S1及二極管D1組成的輔助諧振網絡。

在每次主開關管S導通前
，先導通輔助開關管S1
，使輔助諧振網絡諧振。當S兩端電容電壓諧振到零時
，導通S。當S完成導通後，立即關斷S1，使輔助諧振 電路停止工作。之後，電路以常規的PWM方式運行。該拓撲結構在不增加電壓/電流應力的情況下，實現了S的零電壓導通和D的零電流關斷。但由於S1是在大 電流（接近諧振峰值電流）下關斷
、大電壓（接近輸出電壓）下開通， S1處於一種非常不好的硬開關環境。

為了解決普通ZVT-PWM變換器的以上缺點，近幾年中人們提出了幾種改進的ZVT-PWM變換器拓撲結構，它們均實現了主開關管和輔助開關管的軟開關，減少開關損耗。下麵對這幾種改進結構分別予以介紹
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2.2 改進拓撲之一

圖2
圖2所示為文獻[5]提出的一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖1的普通ZVT-PWM Boost變換器相比

，該改進的拓撲隻是在輔助諧振網絡中增加了一個電容

和兩個二極管

，但卻同時實現了主開關管T1和輔助開關管T2的軟通斷，以下對其工作過程進行分析。

在分析中，假定：（1）輸入電壓

為常數，主電感

足夠大
，輸入電流

為常數；（2） 輸出電容

足夠大，輸出電壓為常數

； （3）諧振電路是理想的；（4）緩衝電感

<<

；（5）忽略半導體器件的電壓降和寄生電容；（6）忽略

其它二極管的反向恢複時間。

設初始狀態為：主功率開關管

及輔助開關管

均為關斷狀態，輸出整流二極管

處於導通狀態。

。電路在穩態時

，每個開關周期的工作過程可分為7個模態：

模態1

在

時刻，

導通，

線性下降
，

線性上升，直到

，


，該模態結束；

模態2

在

時刻

，

達到最大反向恢複電流，主二極管

關斷，

開始諧振
，直到

放電到零
，轉到模態3；

模態3

在

時刻，

自然導通；

可見
，該拓撲結構實現了主開關管T1和輸出整流二極管DF在零電壓下導通和關斷
，輔助開關管T2在零電流下導通和零電壓下關斷，兩個開關管都是軟通斷，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬通斷的缺點，減少了關斷損耗。
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2.3 改進拓撲之二

圖3

圖3所示為文獻[6]中提出的另一種新穎的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖3的普通ZVT-PWM變換器相比，該改進的拓撲隻是在輔助諧振網絡增加了一個電容，少了一個二極管。以下對其工作過程進行分析。

在分析中，假設與1.2基本相同
，並設初始狀態為： ，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為7個模態：

可見，該拓撲結構實現了主開關管 在ZVS條件下通斷，輔助開關管 在零電壓
、零電流的條件下關斷與開通，兩個開關管都是軟通斷，改善了開關環境
，克服了普通ZVT-PWM變換器的輔助開關管為硬開關的缺點，減小了關斷損耗。

2.4 改進拓撲之三

圖4

圖4所示為文獻[7]提出的另一種改進的ZVT-PWM變換器拓撲。與圖4的普通ZVT-PWM變換器相比
，該改進的拓撲隻是在輔助諧振網絡增加了一個 電感、一個二極管和一個電容。其工作原理的分析與前麵的基本相似，具體分析可以參考文獻[7]。從中可知
，主開關管S1在零電壓下開通和關斷，輔助開關管 S2在零電流下開通和關斷
，從而克服了普通的ZVT-PWM變換器輔助開關管為硬開關的缺點，減小了開關損耗，實現了兩個開關都是軟開關。


3　ZCT-PWM變換器

3.1 普通的ZCT-PWM變換器

圖5

ZVT-PWM變換器能實現在ZVS下開通，消除導通損耗，但卻不能有效地減小關斷損耗。而普通的ZCT-PWM變換器[8]，如圖5所示
，則能實現主 開關在ZCS下(xia)關(guan)斷(duan)，消(xiao)除(chu)關(guan)斷(duan)損(sun)耗(hao)。但(dan)是(shi)，其(qi)輔(fu)助(zhu)開(kai)關(guan)仍(reng)然(ran)是(shi)硬(ying)開(kai)關(guan)，而(er)且(qie)
，其(qi)輸(shu)出(chu)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)存(cun)在(zai)嚴(yan)重(zhong)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)問(wen)題(ti)，導(dao)致(zhi)大(da)的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)。雖(sui)然(ran)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)控(kong)製(zhi) 策略
，使輔助開關導通時間更長一些，可以實現輔助開關管在ZCS下關斷，但輔助開關管的峰值電流將較大。

3.2　改進拓撲之一

文獻[9]提出了一種改進的ZCT-PWM變換器。該改進的拓撲隻是將諧振網絡的輔助開 和嵌位二極管 交換位置，能實現所有的開關管在ZCS下通斷
，並減小了輔助開關管的峰值電流。但它的整流二極管 仍存在嚴重的反向恢複問題。
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3.3 改進拓撲之二

文獻[10]介紹了一種新穎的ZCT-PWM變換器，它很好地解決了以上所提的各項缺點
，如圖6所示。與圖5的普通ZVT-PWM變換器相比
，該改進的拓撲在元器件數量方麵沒有增減，隻是改變了組合方式
，但同時實現了主開S和輔助開關管 的軟通斷，並解決了輸出整流二極管 嚴重的反向恢複問題。以下對其工作過程進行分析。

圖6

在分析中
，假設與1.2基本相同，並設初始狀態為：主功率開關管S及輔助開關管 均為關斷狀態
，輸出整流二極管 處於導通狀態。 ，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為8個模態：

可見
，該拓撲實現了所有開關管和輸出整流二極管 都在較小的 下軟開通
，在ZCS下關斷，而且在主開關管S上沒有附加的電流應力和導通損耗

，大大減小了輸出整流二極管的反向恢複電流。


4　ZCZVT-PWM變換器

近(jin)些(xie)年(nian)，一(yi)些(xie)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)研(yan)究(jiu)中(zhong)心(xin)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)正(zheng)盡(jin)力(li)尋(xun)求(qiu)一(yi)種(zhong)最(zui)優(you)化(hua)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)，即(ji)用(yong)盡(jin)量(liang)少(shao)的(de)輔(fu)助(zhu)元(yuan)件(jian)，實(shi)現(xian)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)同(tong)時(shi)在(zai)零(ling)電(dian)壓(ya)和(he)零(ling)電(dian)流(liu)下(xia)轉(zhuan)換(huan)，綜(zong) 合ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優點，進一步完善零轉換條件。文獻[11]所介紹一種新穎的 ZCZVT-PWM變換器

，就能實現主開關管同時在零電壓和零電流下轉換，如圖7所示。以下對其工作過程進行分析。

圖 7

在分析中

，假設與1.2基本相同，並設初始狀態為：主功率開關管S及輔助開關管 均為關斷狀態
，輸出整流二極管D處於導通狀態

，
，則電路在穩態時，每個開關周期可劃分為14個模態：

可見，該拓撲結構實現了主開關管S同時在零電壓和零電流條件下開通和關斷，輔助開關管 在零電流條件下開通
，零電壓和零電流條件下關斷
，輸出整流二極管D在零電壓下轉換
，從而既綜合了ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器的優點
，又克服了它們各自的缺點
，大大減小了開關損耗。


5　總結

零轉換PWM DC-DC變換器是低電壓（電流）應力、高效率的變換器，但傳統的零轉換PWM DC-DC變換器仍存在一些問題。為了解決這些問題
，人們提出了許多新的改進拓撲。本文對三種改進的ZVT-PWM變換器、一種改進的ZCT-PWM，以 及一種新穎的ZCZVT-PWM作了詳細介紹和分析。這幾個改進的拓撲都實現了所有開關管的軟通斷

，進一步減小了開關損耗，效率大為提高，很值得進一步研 究和完善。