一種新型無源無損軟開關Boost變換器??

1前言

開關電源目前存在五個挑戰(zhàn)性的問題，能否更加小型化就是其中之一。使開關電源小型化的重要途徑是提高開關頻率。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。但是提高開關頻率的同時也增加了開關損耗，并使電磁干擾更加嚴重。采用軟開關技術可以降低開關損耗，使開關電源可以在低損耗情況下實現(xiàn)高頻運行。其實現(xiàn)方法可分為有源和無源軟開關技術。有源軟開關技術在原有電路上附加有源器件（如開關），價格比較昂貴，工作時還要增加控制電路以對附加開關進行控制，電路復雜，可靠性比較差。相比之下，無源軟開關電路簡單，可靠性高，價格便宜。這些優(yōu)點使得無源軟開關近幾年倍受青睞。對于PWM變換器，無源軟開關通過降低有源開關的di/dt和dv/dt來實現(xiàn)零電流導通和/或零電壓關斷，以減少開關損耗。文獻[1]對無源軟開關技術進行了總結，并提出了無源無損軟開關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PWM變換器。本文對其中的一種合成新型軟開關Boost變換器的工作原理及參數(shù)選擇進行了分析，給出理論波形和仿真波形，并對其進行分析。

2工作原理

這種新型無源軟開關變換器在Boost基本拓撲基礎上附加了一個子電路，如圖1虛框中所示。

子電路包括一個電感Lr，兩個電容Cs、Cr，三個二極管D1、D2和D3。Lr提供主開關零電流開通條件，限制二極管D的反向恢復電流。電容Cs提供開關零電壓關斷條件。電容Cr為電感Lr能量恢復提供能量。這種變換器有七種運行模態(tài)。假設各種元器件為理想元器件，且Cs（1）t開關S處于關斷狀態(tài)，此時vcs=VO，vcr=0，iLr=iin。簡化電路如圖2(a)所示，波形圖如圖3所示。

（2）t0～t1

從t0開始，開關S導通，電流iLr線性下降，簡化電路如圖2(b)所示。t=t1時，電流iLr減少到零，二極管D關斷，波形圖如圖3所示。這段時間為：t0－1=t1－t0=（1）

（3）t1～t2

圖1新型無源無損軟開關Boost變換器

圖2新型無源無損軟開關Boost變換器的工作模態(tài)

圖3Boost變換器各電流和電壓波形圖

從t1開始，Cs開始經(jīng)D2，Cr、Lr和開關S放電，vcr從零上升，電流iLr從零反方向增加，簡化電路如圖2(c)所示，波形圖如圖3所示。在此過程中，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）式中：ω=。

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

（4）t2～t3

從t2開始，由于vcs=0，D1導通，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，簡化電路如圖2(d)所示。t=t3時，vcr達到最大值VCrmax，電感電流iLr降到零，波形圖如圖3所示。這段時間為：

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關斷，vcr保持在最大值VCrmax。變換器工作在PWM狀態(tài)，且iL=is，簡化電路如圖2(e)所示，波形圖如圖3所示。t=t4時，開關S關斷。

（6）t4～t5

從t4開始，由于開關S關斷，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向負載供電，同時電容Cr放電，vcr下降，iLr上升，簡化電路如圖2(f)所示。t=t5時，vcs達到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向負載供電，電容Cr繼續(xù)放電。t=t6時，電容電壓vcr降到零，同時電感電流iLr上升到Iin，iLr=Iin，簡化電路如圖2(g)所示，波形圖如圖3所示。

（8）t6～t7

從t6開始，變換器重新工作在PWM狀態(tài)，簡化電路如圖2(a)所示。t=t7時，開關S導通，開始下一個周期的工作。

由上面各工作模態(tài)分析可知：當開關S導通時，由于iLr=Iin，電感電流不能突變，使得電流is從零開始上升；當開關S關斷時，由于vcs=0，電容電壓不能突變，把開關電壓vds鉗在零，當電源Vi對Cs充電時,開關電壓vds才開始上升，從而實現(xiàn)零電流開通和零電壓關斷，并且最大開關電壓Vdsmax被鉗在VO。也就是說，這種新型無源無損軟開關Boost交換器在沒有增加開關應力的基礎上實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關斷。

圖4Boost變換器各電流及電壓仿真波形

(a)開關S電壓和電流的波形

(b)附加電感Lr電流與開關控制信號的波形

(c)附加電容Cr電壓與開關控制信號的波形

3參數(shù)計算

附加子電路只給開關提供軟開關條件，因而其參數(shù)的設置條件是：保證附加子電路提供軟開關條件，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降到零的時間）不宜太小，因為這段時間太小，開關電流上升的時間就短，di/dt將變大，使得EMI增大，也即電感Lr不宜太小。但是Lr也不宜過大，過大將使子電路的工作時間較長，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仿真結果

利用以上的電路原理，對一個帶有這種附加電路的Boost變換器進行仿真。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。分析結果取Lr=50μH。仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，當開關導通時，開關電壓V（M1：d）（Vds）下降，由于電感Lr的作用，電流不能突變，使得開關電流is在開關電壓V（M1：d）（Vds）降到零后，才從零開始上升，實現(xiàn)了開關的零電流導通。當開關關斷時，由于電容Cs的鉗壓作用，開關電壓從低電壓上升，基本實現(xiàn)零電壓關斷。而電感電流iLr和電壓vcr波形與理論分析的是一致的。

5結論

文獻[2]中提出的軟開關也是無源軟開關。不同的是，文獻[2]中提出的電路附加電感Lr插在開關支路，當開關關斷時，電感能量必須回到零，以減少導通損耗。而本文分析的電路附加電感Lr插在二極管D支路，電感在開關關斷時充電。由以上分析可知，兩個附加電路功能一樣，但在各個工作模態(tài)中對電路的作用卻不一樣。這種變換器外加元器件都是無源元器件，價格比較便宜，可靠性較強，損耗低，只需用一個控制電路對主開關進行控制，并且在不增加開關應力的情況下實現(xiàn)零電流開通和零電壓關斷。