宽幅压大功率软开关SEPIC变换器的实验分析

唐成 孙心丰 鲁韵2,

（1. 海军大连舰艇学院 训练舰支队，大连 116018； 2. 华中科技大学，武汉 430074）

0 引言

SEPIC变换器能实现升降压，对宽幅压直流电网有良好适用性；在开关管的导通和截止期间，都能传递功率，传输效率高，抗电网干扰能力强，适用大功率高效率场合。软开关技术应用于DC-DC变换器，改善其谐波、开关损耗和工作应力有良好作用，是变换器技术研究的重要内容[1]。

本文分析一种大功率场合的 ZVZCT-PWM SEPIC变换器，其主开关管能实现零电压零电流开关，辅助开关管能实现零电流开通、零电压零电流关断，续流二极管实现了零电压零电流关断、零电压开通[2]。谐振网络并联在主电路中，开关管的电压应力没有提高，同时谐振网络功耗低[3]。

本文在对该电路工作原理进行简要介绍后，在输入电压 320-180V变化条件下，对该变换器的各元件参数进行了选取及优化，通过MATLAB仿真分析和研究，验证变换器软开关功能的良好实现，开关管损耗的有效降低，功率传输效率高，是船用高效率幅压直流变换器的方案选择之一。

1 ZVZCT PWM SEPIC变换器简介

图1是一种零电流零电压转换PWM SEPIC变换器，在一个开关周期内，共有14个工作模态。其中，主开关管实现零电压零电流开通共有8个工作模态，主开关管实现零电压零电流关断共有6个工作模态，其详细的状态分析在文献[4]中，其主要参数波形如图2所示。

图1 ZVZCT PWM SEPIC直流变换器

图2 ZVZCT PWM SEPIC直流变换器的工作原理

该 ZVZCT PWM SEPIC变换器的主要优点有：（1）主开关管能实现零电压零电流开关，辅助开关管能实现零电流开通、零电压零电流关断，续流二极管能实现零电压零电流关断、零电压开通，功率开关管损耗有效降低；（2）软开关条件与输入输出无关，在较宽的输入电压范围内实现软开关；（3）变换器效率增加，电磁干扰减小。

2 系统的仿真与参数设计

2.1 主开关管S实现ZVZCT条件

为了实现主开关管S的零电压零电流开通，在模态 4中，在Lr电流降低至Iin+I0以前，Cr1的电压必须降低为零，此时，体二极管DS导通，S的电压钳位为零。只要Δt4足够长，即可实现。

为了实现主开关管S的零电压零电流关断，在模态10中，Lr电流应该增加到大于Iin+I0。此时，体二极管Ds，S的电压钳位为零。

其中，D为主开关管占空比，由此可以得出：

2.2 谐振支路中Lr和Cr1，Cr2的选值

辅助电路的工作时间不能太长，一般可选择为开关周期Ts的1/10，即

即有

其中，ta1为一个开关周期内辅助开关管第一次导通时间，ta2为辅助开关管第二次导通时间。对于 180 V—320 V的宽幅压条件，可得 D∈（0.407, 0.55），由（4）、（5）式可得结果取（4）式。从而通过Lr的选取，根据式（2）可选取Cr1和Cr2。

2.2 基于宽幅压的Matlab仿真[5]

设定输入直流电压Vin=180 V；输出直流电压V0=220 V；输出电流I0=2.2 A；电容C=1100 μF；输入电感Lr1=2 mH；输出电感Lr2=2 mH；滤波电容Cf=470μF；谐振电容Cr1=Cr2=10 nF；电感Lr=5 μH；负载电阻 R=100 Ω；开关频率 40 kHz。

仿真结果如图3所示，由左至右依次为主开关管两端电压、电流波形和辅助开关管两端电压、电流波形。如图4所示，在输入电压为180 V时，主开关管实现了零电压零电流开通和关断，辅助开关管实现零电流导通，零电压零电流关断。

图3 Vin=180 V时主、辅开关管电压电流波形

图4 Vin=180 V主辅开关管软开关示意图

图5 Vin=320 V时主、辅开关管电压电流波形

仿真结果如图5所示，由左至右依次为主开关管两端电压、电流波形和辅助开关管两端电压、电流波形。图6所示，在输入电压为320 V时，主开关管实现了零电压零电流开通和关断，辅助开关管实现零电流导通，零电压零电流关断。

图6 Vin=320 V主辅开关管软开关示意图

由图3-6可以看出，仿真结果与理论分析基本一致，在不改变元件参数的前提下，调整输入电压和辅助开关管的导通时间和延迟时间，可以实现主开关管零电压零电流开关，辅助开关管零电流导通，零电压零电流关断。

3 实验分析

辅助开关管Sa超前主开关管S导通，超前主开关管关断，且脉宽不同。据此利用DSP2407设计出两路控制信号控制主辅开关管。接线图如图7所示。

图8所示是DSP驱动电路产生PWM波形。

图7 HCPL-4504接线图

图8 DSP驱动电路输出的PWM波形

由图8可以明显看出辅助开关管在主开关管开通和关断之前导通，主开关管开通和关断之后关断，即主开关管一个周期内，辅助开关管开关两次，两次导通的时间略有差别，达到预期设想。

图9由左至右依次为输入电压为180 V时变换器主开关管两端的电压、电流波形和辅助开关管两端的电压、电流波形。

由图 9（a），实验波形与仿真波形基本一致，实现主开关管的零电压零电流开通和关断。由图9（b），实验与仿真波形基本一致，实现了辅助开关管功能。表1是实测系统在180 V-320 V宽幅压输入下的效率，经计算，该直流变换器的源效应约为1.3%，负载效应稳压精度约为0.55%。

4 结论

本文重点分析了该型电路的参数优化及设计，在此基础上搭建了实验电路进行了实验分析，并得出了大功率宽幅压场合下不同输入电压时的变换器效率。理论分析和实际实验表明，电路能很好实现开关管的 ZVZCT软开通和软关断，并且有效降低了损耗，提高了效率，达到预期目的。

图9 主辅开关管的电压、电流实验波形

[1] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 265-269.

[2] 胡宗波, 张波, 邓卫华. PWM 直流变换器中的一种新型的零电压零电流转换软开关单元[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24（3）: 126-134.

[3] OStein C M,Hey H L.A true ZCZVT commutation cell for PWM converters[J].IEEE Transaction On Power Electronics, 2000, 15（1）: 185-193.

[4] 孙心丰, 张俊洪, 高嵬. 宽幅压输入恒压输出的ZVZCT-PWM SEPIC变换器分析设计[J]. 电力自动化设备, 2011, 31（1）: 49-54.

[5] 陈慕齐, 吴正国. 零电流零电压开关的 Matlab仿真[J]. 海军工程大学学报, 2001, 13（3）: 75-79.