摘 要： 提出了一种新型的升压变换器拓扑——电流型ZCS全桥倍压变换器。对该变换器的稳态工作过程进行了分析和推导，给出了该变换器的输出特性，并用PSPICE软件对其进行了仿真，给出了仿真结果。

　　关键词： ZCS;倍压;全桥;高压变换器

　　目前高压电源被广泛用于工业设备中，如医用X光设备、污水处理、雷达发射器、行波管等领域。由于输出电压很高，并且有些电源有体积要求，因此就出现了变压器设计、电源效率、电源体积等一系列难题。2005年，R.Y.Chen与K.C.Tseng提出了一种称之为电流型全桥高压变换器的电路拓扑[1]。该电路利用变压器寄生电容和漏感产生谐振实现了开关管的零流开通和关断，大大提高了功率密度。但通过对该电路的仿真分析，发现该电路存在不足之处：(1)开关管电压应力大;(2)变压器分布参数不好控制;(3)变换器自身升压倍数不够高，在较高输出电压情况下，变压器的升压倍数过大，这将增大变压器的设计难度。

　　通过研究，笔者对该电路作了一些改进,提出了电流型ZCS全桥倍压变换器。改进后的电路不仅继承了原电路的优点，而且有效地弥补了原电路的不足，并减小了变压器的升压比，降低了变换器的设计难度，进而更有利于实现电源的小型化。

　　1 稳态工作过程分析

　　1.1 电路拓扑介绍

　　图1给出了该变换器的电路拓扑。Lin为输入电感，并联一个箝位电路，S1、S2、S3、S4为主开关管，Ds1、Ds2、Ds3、Ds4为开关管的体二极管，Lr、Cr是外加谐振元件，变压器漏感为Ld、分布电容为Cp。为方便讨论，输出采用二倍压整流电路。原电路没有外加谐振元件Lr和Cr，靠调整变压器分布参数Ld和Cp来实现零流开关。由于变压器分布参数难以控制，使变换器实现难度很大。

　　

 

　　1.2 稳态工作过程分析

　　由于电路存在对称性，在一个开关周期内电路上、下半周期工作过程相同，因此只需分析半个周期即可。半个周期内有5个工作状态。图2给出了工作波形图，图3给出了各个工作状态的电流走向。

　　

 

　　

 

　　设电容电压和电感电流的参考方向如图1所示。为了简化分析，假设：

　　(1)开关管S1、S2、S3、S4及二极管均为理想器件。

　　(2)C1、C2足够大，一个周期内，其两端电压保持不变，Vc1=Vc2=Vc，可视为恒压源。

　　(3)输入电感Lin足够大，一个周期内，其电流保持不变，可视为恒流源。

　　(4)箝位电路用一个电压源VCL等效。

　　t0时刻以前，S2、S4处于导通状态，D1、D2处于关断状态。由于变压器分布电容Cp远小于谐振电容Cr，变压器的激磁电流也很小，因此，iLd可忽略不计，输入电流Iin给Cr线性充电。电流走向图如图3(a)所示。

　　在t0时刻，

，iLd(t0)=0，iCt0)=iC(t0)=-Iin。

 

　　(1)开关模态1(t0～t1)

　　t0时刻以后，

，副边二极管D2承受正电压而导通，寄生电容uCr被输出电压箝位至 ，电流走向图如图3(b)所示，等效电路如图4所示。其微分方程为：

 

　　

 

　　初始条件：

 

　　

 

　　解得：

　　

 

　　(2)开关模态2(t1-t2)

　　在t1时刻，开关管S1、S3开通，由于电感电流iCr不能突变，因此，开关管S1与S3是零电流开通。在这期间S1、S2、S3、S4与输出整流二极管D2均导通，其电流走向如图3(c)所示，等效电路如图5所示。

　　

 

　　由图5可得方程组如下：

　　

 

　　已知初值为iLr(t1)=-Iin，iLd(t1)=-ILd1，uCr(t1)=-VCr1，解得：

　　

 

　　

 

　　即流过开关管S1、S3的电流增加，流过开关管S2、S4电流减小;t1′时刻，iS2(t)=iS4(t)=0，然后电流反向，通过S2和S4的体二极管续流，开关管S2、S4的漏源电压为零。因此，t1′时刻以后关断开关管S2和S4，是零电压关断。

　　(3)开关模态3(t2-t3)

　　在t2时刻，变压器漏感电流iLd减小至零，副边二极管D2零电流关断，其电流走向图如图3(d)所示，等效电路如图6所示。方程组如下：

　　

 

　　

 

　　在t3时刻，iS2(t)和iS4(t)反向过零，S2和S4的体二极管关断。

　　(4)开关模态4(t3-t4)

　　在t3时刻，S2和S4的体二极管关断，uS4瞬间上升，uS4>Vin+VCL，二极管DC导通，其电流走向如图3(e)所示，等效电路如图7所示。方程如下：

　　

 

　　

 

　　在t3时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t3)=0，谐振电容的初始电压为uCr(t3)=Zr ILr2 sinωr(t3-t2)=VCr3。解微分方程可得：

　　

 

　　(5)开关模态5(t4-t5)

　　在t4时刻，iLr(t4)=Iin，二极管Dc关断，其电流走向如图3(f)所示，等效电路如图8所示，为电流源向电容充电。可得：

　　

 

　　

 

　　这是下半周期的初始状态。t5时刻，uCr(t5)=

，开始下半周期工作过程。

 

　　2 仿真结果

　　利用PSPICE软件对该高压变换器电路进行了仿真分析，仿真参数设置为：输入电压Vin=28V;开关管采用IRF150;输入电感Lin=1mH;Lr=Ld=0.5μH;Cr=0.5μF;Cp=1nF;C1=C2=10μF;工作频率fs=160kHz，变压器变比n=1。

　　经仿真可得到，输出直流电压Vo=96V;输出功率Po=300W。开关管很好地实现了零流开通，仿真结果如图9所示。图中自上而下依次为主开关管S1、S2的驱动脉冲、谐振电感Lr的电流、变压器漏感Ld的电流、谐振电容Cr的电压、输出二极管D1/D2上的电流。

　　

 

　　本文提出了一种新型高压开关变换器——电流型ZCS全桥升压倍压变换器，并对该电路拓扑的稳态工作过程进行了详细的分析和推导，用PSPICE软件仿真验证了理论分析的正确性。

　　该变换器可以实现较高的电压增益。利用外加谐振元件和变压器寄生参数的谐振过程，实现了开关管的零流开通。采用箝位电路有效地减小了开关管电压应力，同时采用倍压电路降低了变压器升压比，减小了变压器体积并降低了变换器的设计难度。该变换器尤其适用于低压输入、高压输出的场合。因此，对高压开关电源设计者来说，电流型ZCS全桥升压倍压变换器是一种比较理想的参考方案。

　　参考文献

　　[1] CHEN R Y，LIN R L，LIANG T J，et al.Currend-fed full-bridge Boost converter with zero current switching for high voltage applications.in IEEE IAS，2005.

　　[2] 阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2003.

　　[3] 蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学(直流—直流变换部分)[M].北京：科学出版社，1993.

　　[4] 张占松，蔡宣三.开关电源原理与设计(修订版)[M].北京：电子工业出版社，2004.

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