一種新型無(wú)源無(wú)損軟開關(guān)Boost變換器

1前言

開關(guān)電源目前存在五個(gè)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，能否更加小型化就是其中之一。使開關(guān)電源小型化的重要途徑是提高開關(guān)頻率。高頻化能使變壓器和電感等磁性元件以及電容體積和重量大為減少，從而提高變換器的功率密度。但是提高開關(guān)頻率的同時(shí)也增加了開關(guān)損耗，并使電磁干擾更加嚴(yán)重。采用軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)損耗，使開關(guān)電源可以在低損耗情況下實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)方法可分為有源和無(wú)源軟開關(guān)技術(shù)。有源軟開關(guān)技術(shù)在原有電路上附加有源器件（如開關(guān)），價(jià)格比較昂貴，工作時(shí)還要增加控制電路以對(duì)附加開關(guān)進(jìn)行控制，電路復(fù)雜，可靠性比較差。相比之下，無(wú)源軟開關(guān)電路簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格便宜。這些優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)源軟開關(guān)近幾年倍受青睞。對(duì)于PWM變換器，無(wú)源軟開關(guān)通過(guò)降低有源開關(guān)的di/dt和dv/dt來(lái)實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和/或零電壓關(guān)斷，以減少開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[1]對(duì)無(wú)源軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了無(wú)源無(wú)損軟開關(guān)PWM變換器合成方法。根據(jù)這種方法，可以合成多種性能良好的軟開關(guān)PWM變換器。本文對(duì)其中的一種合成新型軟開關(guān)Boost變換器的工作原理及參數(shù)選擇進(jìn)行了分析，給出理論波形和仿真波形，并對(duì)其進(jìn)行分析。

2工作原理

這種新型無(wú)源軟開關(guān)變換器在Boost基本拓?fù)浠A(chǔ)上附加了一個(gè)子電路，如圖1虛框中所示。

圖1新型無(wú)源無(wú)損軟開關(guān)Boost變換器

子電路包括一個(gè)電感Lr，兩個(gè)電容Cs、Cr，三個(gè)二極管D1、D2和D3。Lr提供主開關(guān)零電流開通條件，限制二極管D的反向恢復(fù)電流。電容Cs提供開關(guān)零電壓關(guān)斷條件。電容Cr為電感Lr能量恢復(fù)提供能量。這種變換器有七種運(yùn)行模態(tài)。假設(shè)各種元器件為理想元器件，且Cs<Cr。下面對(duì)其進(jìn)行分析。

（1）t<t0

開關(guān)S處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)vcs=VO，vcr=0，iLr=iin。簡(jiǎn)化電路如圖2(a)所示，波形圖如圖3所示。

（2）t0～t1

從t0開始，開關(guān)S導(dǎo)通，電流iLr線性下降，簡(jiǎn)化電路如圖2(b)所示。t=t1時(shí)，電流iLr減少到零，二極管D關(guān)斷，波形圖如圖3所示。這段時(shí)間為：t0－1=t1－t0=（1）

（3）t1～t2

從t1開始，Cs開始經(jīng)D2，Cr、Lr和開關(guān)S放電，vcr從零上升，電流iLr從零反方向增加，簡(jiǎn)化電路如圖2(c)所示，波形圖如圖3所示。在此過(guò)程中，電流iLr、電容電壓vcs和電容電壓vcr由下面公式?jīng)Q定。iLr=－sin(ωt)（2）vcr=〔1－cos(ωt)〕（3）vcs=VO＋〔cos(ωt)－1〕（4）

t=t2時(shí)，Cs放電過(guò)程結(jié)束，vcs=0，波形圖如圖3。電容電壓vcs從最大值降到零的時(shí)間ts由式（5）決定。ts=arccos（5）

（4）t2～t3

從t2開始，由于vcs=0，D1導(dǎo)通，電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振，電感電流iL流經(jīng)D1和D2，向Cr充電。電容電壓vcr繼續(xù)上升，簡(jiǎn)化電路如圖2(d)所示。t=t3時(shí)，vcr達(dá)到最大值VCrmax，電感電流iLr降到零，波形圖如圖3所示。這段時(shí)間為：

t2－3=t3－t2=Tr(6)式中：Tr=2π為諧振周期。

（5）t3～t4

從t3開始，由于iLr=0，D1和D2關(guān)斷，vcr保持在最大值VCrmax。變換器工作在PWM狀態(tài)，且iL=is，簡(jiǎn)化電路如圖2(e)所示，波形圖如圖3所示。t=t4時(shí)，開關(guān)S關(guān)斷。

（6）t4～t5

從t4開始，由于開關(guān)S關(guān)斷，電源Vi一路經(jīng)L，D1向Cs充電，vcs從零開始上升；另一路則經(jīng)L，Lr，Cr，D3向負(fù)載供電，同時(shí)電容Cr放電，vcr下降，iLr上升，簡(jiǎn)化電路如圖2(f)所示。t=t5時(shí)，vcs達(dá)到VO。波形圖如圖3所示。

（7）t5～t6

從t5開始，vcs被鉗在VO，即VCsmax=VO；電源繼續(xù)經(jīng)L，Lr，Cr，D3向負(fù)載供電，電容Cr繼續(xù)放電。t=t6時(shí)，電容電壓vcr降到零，同時(shí)電感電流iLr上升到Iin，iLr=Iin，簡(jiǎn)化電路如圖2(g)所示，波形圖如圖3所示。

圖2新型無(wú)源無(wú)損軟開關(guān)Boost變換器的工作模態(tài)

圖3 Boost變換器各電流和電壓波形圖

（8）t6～t7

從t6開始，變換器重新工作在PWM狀態(tài)，簡(jiǎn)化電路如圖2(a)所示。t=t7時(shí)，開關(guān)S導(dǎo)通，開始下一個(gè)周期的工作。

由上面各工作模態(tài)分析可知：當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，由于iLr=Iin，電感電流不能突變，使得電流is從零開始上升；當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，由于vcs=0，電容電壓不能突變，把開關(guān)電壓vds鉗在零，當(dāng)電源Vi對(duì)Cs充電時(shí),開關(guān)電壓vds才開始上升，從而實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，并且最大開關(guān)電壓Vdsmax被鉗在VO。也就是說(shuō)，這種新型無(wú)源無(wú)損軟開關(guān)Boost交換器在沒有增加開關(guān)應(yīng)力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷。

3參數(shù)計(jì)算

附加子電路只給開關(guān)提供軟開關(guān)條件，因而其參數(shù)的設(shè)置條件是：保證附加子電路提供軟開關(guān)條件，但不影響原電路的工作。一般情況下，Cs的值小于10nF，而Cr的值是Cs的20倍以上。t1－2（也即ts，為Cs放電，vcs從VO降到零的時(shí)間）不宜太小，因?yàn)檫@段時(shí)間太小，開關(guān)電流上升的時(shí)間就短，di/dt將變大，使得EMI增大，也即電感Lr不宜太小。但是Lr也不宜過(guò)大，過(guò)大將使子電路的工作時(shí)間較長(zhǎng)，增加了工作損耗，影響原電路的工作，并且也影響了電路零電流開通的條件。

4仿真結(jié)果

利用以上的電路原理，對(duì)一個(gè)帶有這種附加電路的Boost變換器進(jìn)行仿真。參數(shù)如下：Cr=400nF，Cs=10nF，L=200μH，C=40μF，R=50Ω，Vi=15V。在其他參數(shù)確定的情況下，可用Pspice中的參數(shù)掃描分析功能確定Lr的值。分析結(jié)果取Lr=50μH。仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)開關(guān)S電壓和電流的波形

(b)附加電感Lr電流與開關(guān)控制信號(hào)的波形

(c)附加電容Cr電壓與開關(guān)控制信號(hào)的波形

圖4 Boost變換器各電流及電壓仿真波形

由圖4可知，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)電壓V（M1：d）（Vds）下降，由于電感Lr的作用，電流不能突變，使得開關(guān)電流is在開關(guān)電壓V（M1：d）（Vds）降到零后，才從零開始上升，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的零電流導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，由于電容Cs的鉗壓作用，開關(guān)電壓從低電壓上升，基本實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。而電感電流iLr和電壓vcr波形與理論分析的是一致的。

5結(jié)論

文獻(xiàn)[2]中提出的軟開關(guān)也是無(wú)源軟開關(guān)。不同的是，文獻(xiàn)[2]中提出的電路附加電感Lr插在開關(guān)支路，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感能量必須回到零，以減少導(dǎo)通損耗。而本文分析的電路附加電感Lr插在二極管D支路，電感在開關(guān)關(guān)斷時(shí)充電。由以上分析可知，兩個(gè)附加電路功能一樣，但在各個(gè)工作模態(tài)中對(duì)電路的作用卻不一樣。這種變換器外加元器件都是無(wú)源元器件，價(jià)格比較便宜，可靠性較強(qiáng)，損耗低，只需用一個(gè)控制電路對(duì)主開關(guān)進(jìn)行控制，并且在不增加開關(guān)應(yīng)力的情況下實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷。