ZVZCT-PWM SEPIC变换器的损耗分析

吕青，王路，王镐江，高嵬



ZVZCT-PWM SEPIC变换器的损耗分析

吕青1，王路2，王镐江3，高嵬4

（1. 空军预警学院，武汉 430014；2. 海军装备研究院，北京 100082；3. 中船重工集团第704所；上海 200083；4. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

本文针对直流变换器的高损耗问题，对ZCZVT-PWM型SEPIC直流变换器进行了全面分析，对其损耗机理进行了定量计算，建立了器件级的损耗数学模型，为进一步研究该型电路拓扑的软开关技术和参数设计奠定了理论基础。

ZCZVT-PWM SEPIC 损耗 软开关

0 引言

关于直流变换器在损耗问题上的研究，国内外文献[1-3]多建立在对电路原理的数学仿真上，而对其损耗机理的定量分析和计算尚不多见。本文在普通硬开关SEPIC和ZVZCT-PWM SEPIC电路的基础上，通过合理化假设，建立器件的损耗数学模型，对其进行定量分析计算。

1 SEPIC变换器开关损耗分析

在开关电路中，主要的热耗元件是功率开关管、续流二极管以及输入输出电感，在这里对上述元件的损耗进行分析和计算[4,5]。

1.1 功率开关器件（MOSFET）的损耗分析

在该变换器中，采用功率MOSFET开关管，其损耗主要为通态损耗和开关损耗。

1）通态损耗

2）开关损耗

由开通损耗、关断损耗和容性开通损耗组成。其中开通损耗、关断损耗是由开关管开关时产生的。产生的原因主要是：在开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行，出现电压电流波形交叠，产生了开关损耗，并随开关频率的增加而增大。

将开关管电流和电压按线性处理，如图1所示的理想开关状态波形，则开通损耗就是在开关管开通时间（0~t）内所承受的电压和电流乘积的积分，即

同理，关断损耗为

MOSFET工艺同其它工艺器件相比，其管芯所允许的电流密度较小，大电流器件的管芯面积要求就较大，因此漏源极之间的寄生电容C较大，开关开通时，其储藏的能量耗散在沟道上，形成容性开通损耗。容性开通的损耗为：

由式(1)-(4)，可得到总损耗为：

1.2 续流二极管（FRD）的损耗分析

在电路中，续流二极管经常使用快速恢复二极管（FRD），它具有正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。快速恢复二极管的损耗主要分为通态损耗和恢复损耗。

1）通态损耗

通态损耗为：

2）恢复损耗

恢复损耗主要是由于二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，这个时间内它仍处于导通过程，造成反向电流和电压波形的叠加，产生损耗。由于二极管在关断时的恢复过程很多参数不易测量，可通过对其恢复过程合理化假设，对其恢复损耗进行估算，可以假设延迟时间与下降时间近似相等。按图2的理想恢复波形处理，这里假设反向恢复时间为t=2(t- t)= (t- t)。

图2 理想化的反向恢复过程

则其恢复损耗为：

式中V、I为反向恢复电压、电流峰值，f为变换器的工作频率。

由式(6)和(7)可得功率整流二极管的总损耗为：

从以上分析可以得出，根据功率MOSFET、续流二极管在硬开关电路中的工作原理，其损耗主要由器件的物理特性决定，限制了电路的工作频率的进一步提高，特别是在高于300kHz时，其损耗已经很大，由于损耗引起温升，降低了可靠性。所以在大功率电源中，传统的硬开关SEPIC电路存在严重的缺陷。通过使用新器件，如大功率容量、低通态损耗的IGBT，超快速恢复二极管（UFRD）等，它们可以减小部分开关损耗，但还是受到限制。

2 ZCZVT-PWM SEPIC电路开关损耗分析

在ZCZVT-PWM SEPIC电路中增加了软开关部分，因此在分析开关损耗时必须将其考虑在内，进行全面分析。

2.1 主开关管S的损耗分析

1）通态损耗：

2）开关损耗

因为主开关管式零电压零电流开关，所以开通、关断损耗和容性损耗为

则主开关管S的总损耗为：

2.2 辅助开关管Sa的损耗分析

1）通态损耗：

2）开关损耗

因为辅助开关管式零电流开通，零电压零电流关断，所以有开通损耗

3）容性开通损耗：

则辅助开关管总损耗为

2.3 续流二极管VD（FRD）的损耗分析

在该型变换器中，续流二极管实现了零电压零电流关断，零电压开通。所以有

1） 通态损耗：

2.4 辅助二极管VD1的损耗分析

3 结论

通过本文的分析计算，得出了ZCZVT-PWM型SEPIC电路的损耗计算公式，为进一步研究该型电路拓扑的软开关技术和参数设计奠定了理论基础。

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Loss Analysis of ZCZVT-PWM SEPIC Converter

Luv Qing1, Wang Lu2, Wang Haojiang3, Gao Wei4

(1. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, China; 2. The Naval Equipment Research Institute, Beijing 100082; 3. No.704 Institute in CSSC, Shanghai 200083; 4. The Electricity Engineering School in NUE, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）12-0017-03

2013-03-04

吕青（1965-），男，研究生，高级讲师。研究方向：电力电子技术。