四象限D(zhuǎn)C/DC零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振羅氏變換器

5模式D

模式D是一零電流開關(guān)（ZCS）buck－boost變換器，其等效電路、電流和電壓波形如圖5所示。開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷周期可分為4個(gè)時(shí)間段0～t1，t1～t2，t2～t3和t3～t4，導(dǎo)通時(shí)間為kT=t2，輸出電流僅在時(shí)間段（t4－t3）內(nèi)流經(jīng)電源V1。整個(gè)周期為T=t4。諧振電路為L(zhǎng)r2－Cr。諧振角頻率為：(45)特征阻抗為：(46)

諧振電流（交流分量）為：

圖5模式D運(yùn)行

（a）等效電路（b）波形

(47)

考慮到直流分量，電流峰值為：(48)

5.1時(shí)間間隔0～t1

當(dāng)t=0時(shí)開關(guān)S2導(dǎo)通，電容Cr上的電壓等于電源電壓V1。電感電流iLr2以斜率（V1＋V2）/Lr2線性增加，但始終比負(fù)載恒定電流IL小。因此諧振電容Cr上無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)t=t1時(shí)，電感電流iLr2等于負(fù)載恒定電流IL，則t1為：(49)相應(yīng)的位移角為：(50)

5.2時(shí)間間隔t1～t2

在此時(shí)間段內(nèi)，電流流過(guò)諧振電容Cr，電路Lr2－Cr諧振，電流波形為一正弦函數(shù)曲線。當(dāng)過(guò)峰值點(diǎn)后，電流下降至IL，如果變換器工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，則在t=t2時(shí)電流下降到零，開關(guān)S2關(guān)斷。這一時(shí)間長(zhǎng)度為：(51)

同時(shí)，電容Cr上的電壓也是一正弦函數(shù)。當(dāng)t=t2時(shí)，電容上的電壓vc相應(yīng)的電壓值Vco為：

Vco=（V1－V2）－V2sin(π/2＋α2)

=V1－V2(1＋cosα2)(52)

5.3時(shí)間間隔t2Gt3

由于開關(guān)S2關(guān)斷，電容Cr上所充的電量將會(huì)通過(guò)負(fù)載電流IL釋放。因?yàn)樨?fù)載電流IL是一常數(shù)，所以電壓vc在時(shí)間間隔t2～t3內(nèi)由Vco線性增大至V1，則這段時(shí)間長(zhǎng)度為：(53)

5.4時(shí)間間隔t3Gt4

由于續(xù)流二極管D1的存在，電容電壓vc不能比源電壓V1高。當(dāng)t=t3時(shí)，主電感上的電流不再流經(jīng)Cr，而是流經(jīng)D1。從這時(shí)起，輸出電流I1流過(guò)主電感L，續(xù)流二極管D1，源電壓V1和負(fù)載電壓V2。這一階段的時(shí)間長(zhǎng)度（t4－t3）取決于設(shè)計(jì)要求。若忽略功率損耗，我們得出輸出電流平均值I1為：(54)或(55)

因此，(56)

導(dǎo)通占空比為：k=t2/t4(57)

整個(gè)重復(fù)周期為：T=t4(58)

則相應(yīng)頻率為：f=1/T(59)

6實(shí)測(cè)結(jié)果

以1個(gè)±28V的直流電池做為負(fù)載、1個(gè)42V的直流電池做為電源來(lái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：V1=42V，V2=±28V，L=30μH，Lr1=Lr2=1μH，Cr=4μF且體積為40（in）3。實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示?？梢?，其平均功率傳輸效率為96.3％，且總的平均功率密度（PD）為17.1W/（in）3。經(jīng)典變換器的功率密度通常小于5W/（in）3，因而本文所介紹的這種變換器的功率密度要高得多。由于開關(guān)頻率較低（f41kHz） 且 工 作 在 簡(jiǎn) 諧 狀 態(tài) ， 所 以 高 次 諧 波 分 量 很 小 。 通 過(guò) 快 速 傅 立 葉 變 換 （ FFT） 分 析 ， 得 出 其 總 體 諧 波 失 真 （ THD） 非 常 小 ， 所 以 電 磁 干 擾 （ EMI） 很 弱 ， 可 以 滿 足 電 磁 靈 敏 度 （ EMS） 和 電 磁 兼 容 性 （ EMC） 的 要 求 。

7結(jié)語(yǔ)

1種新型的四象限D(zhuǎn)C/DC零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器已開發(fā)出來(lái)。由于它應(yīng)用了軟開關(guān)技術(shù)，因而極大地減少了開關(guān)功率損耗，實(shí)現(xiàn)了高效率的功率傳輸。因?yàn)槠溟_關(guān)頻率較低磁干擾（EMI）很弱，可以滿足電磁靈敏度（EMS）和電磁兼容性（EMC）的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種變換器的上述優(yōu)點(diǎn)和文中的分析。