一種新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器

開關(guān)電源目前存在五個(gè)挑戰(zhàn)性的問題，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)使得無源軟開關(guān)近幾年倍受青睞。對(duì)于pwm變換器，無源軟開關(guān)通過降低有源開關(guān)的di/dt和dv/dt來實(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)無源軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了無源無損軟開關(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。

子電路包括一個(gè)電感l(wèi)r，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l(wèi)r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

（1）t
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：

（3）t1～t2

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。

t=t2時(shí)，cs放電過程結(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。

（4）t2～t3

從t2開始，由于vcs=0，d1導(dǎo)通，電感l(wèi)r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：

（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。

（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，這種新型無源無損軟開關(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l(wèi)r不宜太小。但是lr也不宜過大，過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。

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l(wèi)r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)也是無源軟開關(guān)。不同的是，文獻(xiàn)[2]中提出的電路附加電感l(wèi)r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l(wèi)r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。