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跟我學(xué) 常用于APFC的軟開關(guān)BOOST電路的分析與仿真

作者: 時(shí)間:2011-09-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

軟開關(guān)的實(shí)質(zhì)是什么?

  所謂軟開關(guān),就是利用電感電流不能突變這個(gè)特性,用電感來限制開關(guān)管開通過程的電流上升速率,實(shí)現(xiàn)零電流開通。利用電容電壓不能突變的特性,用電容來限制開關(guān)管關(guān)斷過程的電壓上升速率,實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。并且利用LC諧振回路的電流與電壓存在相位差的特性,用電感電流給MOS結(jié)電容放電,從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通?;蚴窃诠茏雨P(guān)斷之前,電流就已經(jīng)過零,從而實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。



軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常多,每種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上都可以演變出多種的軟開關(guān)拓?fù)?。我們?cè)谶@里,僅對(duì)比較常用的,適用于APFC電路的BOOST結(jié)構(gòu)的軟開關(guān)作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹并作仿真。


  我們先看看基本的BOOST電路存在的問題,下圖是最典型的BOOST電路:

  假設(shè)電感電流處于連續(xù)模式,驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為D。那么根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí),磁芯的正向勵(lì)磁伏秒積和反向勵(lì)磁伏秒積相同這個(gè)關(guān)系,可以得到下式:

  VIN×D=(VOUT-VIN)(1-D),那么可以知道:VOUT=VIN/(1-D)

  那么對(duì)于BOOST電路來說,最大的特點(diǎn)就是輸出電壓比輸入電壓高,這也就是這個(gè)拓?fù)浣凶鯞OOST電路的原因。另外,BOOST電路也有另外一個(gè)名稱:upconverter,此乃題外話,暫且按下不表。

  對(duì)于傳統(tǒng)的BOOST電路,這個(gè)電路存在的問題在哪里呢?我們知道,
電力電子的功率器件,并不是理想的器件。在基本的BOOST電路中:

  1、當(dāng)MOS管開通時(shí),由于MOS管存在結(jié)電容,那么開通的時(shí)候,結(jié)電容COSS儲(chǔ)存的能量幾乎完全以熱的方式消耗在MOS的導(dǎo)通過程。其損耗功率為COSSV2fS/2,fS是開關(guān)頻率。V為結(jié)電容上的電壓,在此處V=VOUT。(注意:結(jié)電容與靜電容有些不一樣,是和MOS上承受的電壓相關(guān)的。)

  2、當(dāng)MOS管開通時(shí),
升壓二極管在由正向?qū)ㄏ蚍雌刂沟倪^程中,存在一個(gè)反向恢復(fù)過程,在這個(gè)過程中,會(huì)有很大的電流尖峰流過二極管與MOS管,從而導(dǎo)致功率損耗。

3、當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),雖然有結(jié)電容作為緩沖,但因?yàn)榻Y(jié)電容太小,關(guān)斷的過程電壓與電流有較多的重疊,也產(chǎn)生一定的關(guān)斷損耗。

下面我們來仿真一下最基本的BOOST電路。因?yàn)锽OOST電路的輸入端是個(gè)大電感,在穩(wěn)態(tài)工作時(shí),電流基本不變,所以,在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以用電流源來代替。而輸出因?yàn)槭谴蟮臑V波電容,穩(wěn)態(tài)時(shí),電容電壓基本不變,故而在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以用電壓源來代替輸出電容。所以,我們可以在saber的環(huán)境下,得到這個(gè)電路:



  我們進(jìn)行瞬態(tài)分析,得到下圖結(jié)果:



  從圖上可以看到:

  1,
MOS管在開通時(shí),可以看到miller效應(yīng)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上造成的平臺(tái)。

  2,當(dāng)MOS管開通時(shí),在MOS的漏極和
二極管上產(chǎn)生很大的尖峰電流。

  從仿真結(jié)果來看,的確存在我們前面分析的容性開通、反向恢復(fù)等問題。

  那么
軟開關(guān)就能解決這個(gè)問題嗎?


下面我們先推出今天的第一個(gè)軟開關(guān)的例子:

  此
電路是我以前分析一華為通信電源模塊時(shí)所見。



  在這個(gè)電路中,我們主要增加了一個(gè)50uH電感、一個(gè)1000pF電容、一個(gè)輔助開關(guān)管HGTG30N60B3、一個(gè)鉗位二極管MUR460等功率器件。

  進(jìn)行瞬態(tài)分析,我們得到如下結(jié)果:



  在此圖中,ga為輔助開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào),g為主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。ia為輔助開關(guān)管集電極電流信號(hào),id為主開關(guān)管漏極電流信號(hào)。vdsa為輔助開關(guān)管VCE信號(hào),vds為主開關(guān)關(guān)VDS信號(hào)?,F(xiàn)在把工作原理分析如下:

  t1時(shí)刻,輔管開始導(dǎo)通,由于輔管是雙極性器件,所以容性開通的情況并不嚴(yán)重。ia波形從零開始緩慢上升,說明輔管是零電流開通。隨著ia電流增加,當(dāng)ia=iout的時(shí)候,輸入電感電流完全流入輔助開關(guān)管,諧振電感電流開始過零反向流動(dòng),主開關(guān)管IXFH32N50的結(jié)電容開始通過諧振電感諧振放電。

  t2時(shí)刻,主開關(guān)管的vds
電壓已經(jīng)諧振到零,隨后,主管的體二極管開始導(dǎo)通,把諧振電容鉗位在0V,這時(shí)候,如果開通主管,則為零電壓開通。

  t3時(shí)刻,主開關(guān)管開通,從g的波形上可以看出來,主管開通驅(qū)動(dòng)波形上不在有miller效應(yīng)造成的平臺(tái),這也說明主管是零電壓開通。

  t4時(shí)刻,主管開通后,輔管就可以關(guān)斷了。從波形上看,輔管的vce與集電極電流ia之間存在比較大的重疊區(qū)域。說明輔管的關(guān)斷并不是軟關(guān)斷。輔管關(guān)斷后,由于MUR460的鉗位作用,輔管電壓不可能超過輸出電壓vout。那么因?yàn)橹鞴艽藭r(shí)已經(jīng)開通,而輔管的VCE為400V,那么諧振電感在400V電壓作用下,電流快速上升。

  t5時(shí)刻,主管的id達(dá)到了輸入電流IIN,電路進(jìn)入通常的PWM狀態(tài)。直到t6。

  t6時(shí)刻,主開關(guān)管關(guān)斷,電感電流通過二極管向負(fù)載輸出。主管因?yàn)?/FONT>并聯(lián)了較大的snubber電容(1000pF),所以,關(guān)斷時(shí),vds以一個(gè)斜率上升,有較好的零電壓關(guān)斷特性。

  此電路的優(yōu)點(diǎn)是:

  主管實(shí)現(xiàn)了零電壓的開通與關(guān)斷。

  
升壓二極管實(shí)現(xiàn)了“軟”的關(guān)斷。

  輔管實(shí)現(xiàn)了零電流開通。

  缺點(diǎn)是:

  輔管的關(guān)斷特性不好,有較大損耗。

  另外,鉗位二極管,在主管關(guān)斷后,也流過一定的電流,會(huì)讓輔管開通的零電流效果變差,甚至產(chǎn)生電流尖峰,這一點(diǎn)也可以從仿真波形上看出來。

第二個(gè)例子,就是最常見的ZVT零轉(zhuǎn)換電路,先看一下原理圖:



在這個(gè)原理圖中,相對(duì)于基本的BOOST電路,諧振回路是并聯(lián)在主回路上的。主開關(guān)管Q1,依然采用MOS,IXFH32N50,輔助開關(guān)管Q2采用IGBT,HGTG30N60b3,諧振電感L1,20uH,諧振電容C2,2nF,兩個(gè)箝位二極管采用MUR460,主二極管采用MUR1560。

  設(shè)定好參數(shù)后,我們進(jìn)行瞬態(tài)分析,得到波形如下圖:



  在此圖中,g為主管驅(qū)動(dòng),vds為主管VDS波形,i(d)為主管漏極電流,ga為輔管驅(qū)動(dòng),i(a)為輔管集電極電流,vdsa為輔管VDS波形,i(l.i1)是諧振電感電流,i(p)主二極管電流。

  工作原理分析如下:

  t0時(shí)刻之前,主二極管導(dǎo)通,向負(fù)載供電。

  t0時(shí)刻,輔管開通,由于電感L1的存在,輔管電流線性上升,主二極管電流線性下降。所以輔管是零電流開通,注意看輔管驅(qū)動(dòng)波形上開通過程的miller效應(yīng)是存在的。而主二極管的關(guān)斷過程是相當(dāng)?shù)摹败洝?,反向恢?fù)電流很小。在主二極管電流完全轉(zhuǎn)移到電感L1中以后,主管的VDS
電壓開始諧振下降。

  t1時(shí)刻,主管VDS電壓降到零,然后主管的體二極管導(dǎo)通,將VDS箝位在零。此時(shí)開通主管的話,就屬于零電壓開通。

  t2時(shí)刻,主管開通,從波形上可以看出,主管完全是零電壓零電流的狀態(tài)開通的。從柵極信號(hào)可以看出,沒有開通過程的miller效應(yīng)。主管開通后,輔管就可以關(guān)斷了。

  t3時(shí)刻,輔管關(guān)斷。從波形上可以看到,關(guān)斷過程中,輔管的VDS電壓在C2的緩沖下緩慢上升,電壓和電流重疊部分較小。因?yàn)榉抡婺P臀覜]有找到更快速的IGBT,現(xiàn)實(shí)中,我們可以選擇更高速的IGBT,那么,可以實(shí)現(xiàn)輔管的零電壓關(guān)斷。諧振電感L1中的能量向C2中轉(zhuǎn)移。當(dāng)C2電壓達(dá)到輸出電壓時(shí),箝位二極管會(huì)導(dǎo)通,保證輔管的VDS電壓不會(huì)超過輸出電壓。

  t4時(shí)刻,當(dāng)諧振電感L1能量完全轉(zhuǎn)移到C2中以后,箝位二極管MUR460_2關(guān)斷反偏。

  t5時(shí)刻,主管關(guān)斷。輸入電流通過C2、MUR460_2、MUR460_1輸出向負(fù)載。在C2的緩沖下,主管的VDS電壓則線性上升,呈現(xiàn)良好的零電壓關(guān)斷狀態(tài)。

  t6時(shí)刻,C2能量完全釋放完畢,C2兩端電壓差為零。主二極管MUR1560導(dǎo)通,輸入電流通過主二極管向負(fù)載輸送能量。這樣電路的一次工作過程就完成了。

  這個(gè)例子,其實(shí)是第一個(gè)例子的改進(jìn)版本。在原有的基礎(chǔ)上,克服了原先的缺點(diǎn),使輔管的關(guān)斷特性也變好了,進(jìn)一步降低了損耗。

第三個(gè)例子,此電路常見于DELTA的通信電源模塊。從幾百瓦到幾千瓦的,好多型號(hào)都用了這個(gè)電路。是DELTA有專利保護(hù)的一個(gè)電路。見圖:



  在這個(gè)電路中,幾乎不好說哪個(gè)管子是主管,哪個(gè)是輔管了。如果真的要定一個(gè)的話,我們就認(rèn)為Q1,這個(gè)IGBT為主管吧。此電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和前面的兩個(gè)例子不同,是兩路同樣寬度,但相位不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主管在前開通,輔管在后開通。仿真結(jié)果如下:



  這個(gè)電路分析起來比較復(fù)雜。

  t0時(shí)刻之前,輸入
電流通過D1向負(fù)載供電。

  t0時(shí)刻,Q1開始導(dǎo)通,從圖上可以看出,Q1的集電極電流是按照一定的斜率從零開始上升的。故而認(rèn)為Q1是零電流開通。Q1開通后,L1、C1,C2構(gòu)成一個(gè)諧振回路,因?yàn)镃1C2,所以諧振頻率主要由L1與C1決定。C1諧振放電。L1電流則是諧振上升。

  t1時(shí)刻,C1放電到零,這時(shí)候如果開啟Q2,那么Q2就是零
電壓開通了。C1放電到零以后,因?yàn)?/FONT>MOS的體二極管的箝位,C1維持在零電平。而這時(shí),因?yàn)镼1有導(dǎo)通壓降,Q2的體二極管也有導(dǎo)通壓降。所以L1的電流環(huán)路變成了L1,D2,C2,L1電流在C2電壓作用下降。

  t2時(shí)刻,Q2導(dǎo)通,從波形上可以看出,是零電壓導(dǎo)通。L1電流繼續(xù)在C2電壓作用下降低。

  t3時(shí)刻,Q1關(guān)斷,因?yàn)橛蠨2的存在,Q1上的電流被轉(zhuǎn)移到了Q2中,所以,Q1是零電流關(guān)斷。

  t3~t4時(shí)刻,L1電流過零,并在C2電壓作用下開始反向增加。

  t4時(shí)刻,Q2關(guān)斷,以為C1的作用,Q2是零電壓關(guān)斷。Q2關(guān)斷后,L1,C1,C2再次諧振,C1電壓上升。L1電流下降,L1低于輸入電流時(shí),D2導(dǎo)通,給C1充電。

  t5時(shí)刻,C1上升到VOUT+|VC2|時(shí),D1導(dǎo)通,開始向負(fù)載供電。同時(shí),因?yàn)镈2導(dǎo)通,L1電流在C2電壓作用下開始上升。

  t6時(shí)刻,L1電流上升到輸入電流,D2截止,L1電流保持與輸入電流相同,向負(fù)載供電。

  此電路的優(yōu)點(diǎn)是:

  不論是主管還是輔管,都能實(shí)現(xiàn)很好的
軟開關(guān)特性。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看,該電路的確可以做到很高的效率。不得不佩服DELTA的研發(fā)人員?。?/FONT>

第四個(gè)例子,無源無損軟開關(guān)。前面講過的例子,都是采用了至少兩個(gè)開關(guān)管電路結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn),就是軟開關(guān)效果好。但是對(duì)于控制電路要求就復(fù)雜了一些,需要對(duì)驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行處理。是不是有什么方法,能稍微對(duì)性能要求降低一點(diǎn),但電路相對(duì)更容易做呢?下面給大家介紹,基于LCD無損吸收網(wǎng)絡(luò)的軟開關(guān)電路。具體先看原理圖:



  只需要一個(gè)開關(guān)管,控制也簡(jiǎn)單了。但是到底是否能起到軟開關(guān)的效果呢?看看仿真結(jié)果吧:



  t0時(shí)刻之前,輸入電流通過L1,D1向負(fù)載供電。

  t0時(shí)刻,Q1導(dǎo)通,由于L1的作用,Q1的集電極電流按照一個(gè)斜率從零開始上升,故而可以認(rèn)為Q1是零電流開啟。D1反向恢復(fù)電流很小。從驅(qū)動(dòng)波形上看,存在miller效應(yīng)。這也是此處不選用
MOSFET的原因。因?yàn)橛肕OSFET的話,是容性開通,損耗比較大。Q1開通后,C1,C2,L1開始諧振,因?yàn)镃2>>C1,所以諧振頻率由L1,C1決定。

  t1時(shí)刻,經(jīng)過四分之一周期的諧振,C1能量完全轉(zhuǎn)移到了C2中,C1
電壓降為零,D2導(dǎo)通,開始了L1C2的諧振。L1電流在C2電壓作用下諧振下降。

  t2時(shí)刻,L1電流諧振到零,D2,D3截止,L1電流保持為零,C2電壓維持在峰值保持不變。

  t3時(shí)刻,Q1關(guān)斷,因?yàn)镃1的緩沖效應(yīng),Vce電壓從零以一定的斜率上升,我們認(rèn)為Q1是零電壓關(guān)斷。仿真的波形圖上,因?yàn)?/FONT>IGBT的電流拖尾,我們看到關(guān)斷損耗不是很小。幸運(yùn)的是,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了高速的IGBT,用在這個(gè)場(chǎng)合還是很合適的。

  t4時(shí)刻,C2充電到輸出電壓,D3,D4導(dǎo)通,L1電流在C2電壓的作用下,開始上升。輸入電流開始從D2,D3,D4支路開始向L1,C2,D4支路轉(zhuǎn)移。

  t5時(shí)刻,L1電流等于輸入電流,D2,D3截止。電流經(jīng)L1,C2,D4向負(fù)載供電。

  t6時(shí)刻,C2電壓降為零,D1開通,D4截止。電流經(jīng)過L1,D1向負(fù)載供電。一次開關(guān)動(dòng)作完成。

  無源無損軟開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是:

  1,只需要一個(gè)開關(guān)管,控制方便。

  2,因?yàn)槲站W(wǎng)絡(luò)是
無源器件,不會(huì)受到干擾,工作可靠。

  缺點(diǎn)是:

  1,開關(guān)管的開通是容性開通,所以最好用雙極型開關(guān)管。

  2,因?yàn)橛幸粋€(gè)過程是電流流經(jīng)D2,D3,D4,壓降比較大,有一定的損耗。

  3,效率比前面例子中的軟開管略低一點(diǎn)。



關(guān)鍵詞: 軟開關(guān)boost電路

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