低損耗軟開關(guān)Boost變換器

摘 要:介紹一種新的軟開關(guān)Boost變換器。傳統(tǒng)的Boost變換器在開通和關(guān)斷時將產(chǎn)生開關(guān)損耗，因此使整個系統(tǒng)的效率下降。新的Boost變換器利用軟開關(guān)方法增加了輔助開關(guān)管和諧振電路。這樣，相比硬開關(guān)情況下，變換器減小了開關(guān)損耗。這種變換器可以應(yīng)用在光伏系統(tǒng)、功率因子校正等裝置中。詳細(xì)分析電路的工作原理以及實現(xiàn)軟開關(guān)的條件，利用Pspice 9.2軟件進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該變換器的所有開關(guān)器件都實現(xiàn)了軟開關(guān)，從而使效率得到提高。

關(guān)鍵詞:升壓電路;軟開關(guān);諧振電路;功率因子校正

中圖分類號:TM92文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-073-03

Low Loss Soft Switching Boost Converter

ZHU Yuting，ZHOU Xifeng，GUO Qiangang

(Automation College，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing，210003，China)

Abstract:A new soft switching Boost converter is proposed.The conventional Boost converter generates switching loss at turn on and off.Because of those，the whole system′s efficiency is reduced.The proposed converter utilizes soft switching method using an auxiliary switch and resonant circuit.Therefore，the converter reduces switching loss lower than the hard switching.The proposed soft switching Boost converter can be applied to photovoltaic system，power factor correction and so forth.The operation principles of the converter and the conditions for realization of soft switching are analyzed in detail，simulation analysis is given by the PSpice 9.2.Its simulation results prove that all the switches in soft switching state and the efficiency of the converter is improved.

Keywords:Boost converter;soft switching;resonant circuit;power factor correction

0 引 言

近年來，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)電源變得輕小化，但是開關(guān)頻率和開關(guān)損耗成正比，開關(guān)頻率提高，開關(guān)損耗也增大，從而使整體系統(tǒng)的開關(guān)損耗增大。許多變換器采用諧振來減小開關(guān)損耗，但是輔助諧振電路增大了電路的復(fù)雜性，而且也增加了電路的成本。在一些有輔助開關(guān)的諧振變換器中，主開關(guān)管實現(xiàn)了軟開關(guān)，但是輔助開關(guān)管卻還是工作在硬開關(guān)狀態(tài)下[5]。所以，由于輔助開關(guān)管開關(guān)損耗的存在，這些變換器并不能提高整個系統(tǒng)的效率。

傳統(tǒng)Boost變換器以其結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于升壓場合。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列電池的輸出電壓較低，迫切需要較大的升壓，以滿足后級逆變器的需要[8]。為了提高變換器的變換能力、可調(diào)范圍和效率，對傳統(tǒng)的Boost變換器進(jìn)行了改進(jìn)。本文提出一種新的軟開關(guān)Boost變換器，通過采用輔助開關(guān)管和諧振電路的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主、輔助開關(guān)管的軟開關(guān)。相比其他的軟開關(guān)變換器而言，在同樣的頻率下，既減小了開關(guān)損耗，又提高了整體系統(tǒng)效率。本文詳細(xì)分析了這種變換器的工作原理，實現(xiàn)軟開關(guān)的條件并通過PSpice進(jìn)行仿真實驗。

1 低損耗軟開關(guān)Boost變換器

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

低損耗軟開關(guān)Boost變換器如圖1所示。

圖1 低損耗軟開關(guān)Boost變換器

圖1中，S1為主開關(guān)管，D0為主二極管，L和Co分別是濾波電感和濾波電容，輔助諧振電路由輔助開關(guān)管S2、諧振電容Cr2和Cr、諧振電感Lr和輔助二極管D1和D2組成，它為主開關(guān)管和輔助開關(guān)管創(chuàng)造了軟開關(guān)的條件。圖2為低損耗軟開關(guān)Boost變換器的主要工作波形圖。

圖2 低損耗軟開關(guān)Boost電路主要波形圖

1.2 工作原理

為便于對低損耗軟開關(guān)Boost電路的工作原理進(jìn)行分析，需作如下幾點假設(shè):

(1) 電路中所有元件都是理想的;

(2) 主電感L足夠大，在一個開關(guān)周期中，其電流基本保持不變;

(3) 輸出濾波電容Co足夠大，在一個開關(guān)周期中，Co和R可用一個恒值電壓源代替。

整個開關(guān)周期可以分為9個工作狀態(tài)，各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下，如圖3所示。

模態(tài)1(t0~t1):主、輔助開關(guān)管關(guān)斷。主電感中的能量通過主二極管傳遞到負(fù)載中。主電感電流表達(dá)式為:

IL=IL(t9)-Vo-ViLt(1)

圖3 低損耗軟開關(guān)Boost變換器各開關(guān)模態(tài)的等效電路

模態(tài)2(t1~t2):輔助開關(guān)管導(dǎo)通，諧振電感電流從零開始線性增大。t2時刻，諧振電感電流ILr達(dá)到主電感電流值，模態(tài)2結(jié)束。這段時間結(jié)束，主電感電流和諧振電感電流表達(dá)式為式(2)和式(3):

ILr(t)=VoLrt(2)

IL(t)Imin(3)

模態(tài)3(t2~t3):當(dāng)諧振電感電流等于主電感電流時，主二極管導(dǎo)通，Cr和Lr開始諧振，諧振電容Cr放電。當(dāng)諧振結(jié)束，諧振電容電壓為零。 t2時刻，諧振電容電壓等于輸出電壓Vo，模態(tài)3結(jié)束。t1到兩個電流相等的時間間隔為:

t12=ILm(Vo/Lr)(4)

諧振周期為:

tr=π2LrCr(5)

諧振阻抗為Zr=Lr/Cr。諧振電感電流和諧振電容Cr電壓為:

ILr=Imin+VoZrsin(ωrt)(6)

VCr(t)=Vocos(ωrt)(7)

模態(tài)4(t3~t4):諧振電容Cr電壓為零，主開關(guān)管的體二極管自然導(dǎo)通。體二極管導(dǎo)通時，主開關(guān)管電壓為零。這時，導(dǎo)通信號給主開關(guān)創(chuàng)造了零電壓條件。主電感電流為:

IL(t)=Imin+ViLt(8)

模態(tài)5(t4~t5):在模態(tài)4下，主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通。同時，輔助開關(guān)管零電壓關(guān)閉，進(jìn)入模態(tài)5。在這一階段，諧振電感Lr和諧振電容Cr2開始諧振。經(jīng)過半個諧振周期后，Lr電流為零，模態(tài)5結(jié)束，此時，Cr2充電已滿。

IL(t)=I(t4)+ViLt， ILr=ILr(t3)cos(ωat)(9)

ωa=1LrCr2， Za=LrCr2(10)

模態(tài)6(t5~t6):在這個模態(tài)中，ILr從零開始反方向流動。主開關(guān)管、Lr、Cr2和二極管D2構(gòu)成諧振回路。此時，Cr2電壓下降到零。然后，Lr和Cr2諧振結(jié)束。這段時間，諧振電容放電表達(dá)式為:

VCr2(t)=ZaI(xiàn)Lr(t3)sin(ωat)(11)

VCr2(t5)=ZaI(xiàn)Lr， VCr2(t6)=0(12)

模態(tài)7(t6~t7):Cr2電壓為零后，輔助開關(guān)管的體二極管導(dǎo)通。電流流過體二極管，諧振電感-主開關(guān)。由于PWM運算法則，主開關(guān)關(guān)斷，模態(tài)7結(jié)束。在這段時間，諧振電感電流值等于t3時刻的電流值，但是是反向的。

IL(t)=IL(t6)+ViLt(13)

ILr(t)=-IL(t3)(14)

模態(tài)8(t7~t8):兩個電感電流都對諧振電容Cr充電。當(dāng)諧振電容電壓等于輸出電壓時，這個模態(tài)結(jié)束。

ILr=IL(t7)-[IL(t7)+ILr(t3)]cos(ωrt)(15)

Zr[IL(t7)+ILr(t3)]>Vo(16)

式(16)為實現(xiàn)零電壓的條件。

模態(tài)9(t8~t9):諧振電容Cr放電，主二極管電壓為零。因此，主二極管導(dǎo)通，諧振電感電流線性減小到零。當(dāng)電流為零時，模態(tài)9結(jié)束，開始下一個開關(guān)周期。這個模態(tài)，主電感電流和諧振電感電流為:

IL(t)=IL(t7)-Vo-ViLt(17)

ILr=-ILr(t3)+VoLrt(18)

1.3 實現(xiàn)軟開關(guān)的條件

由上分析可知，為了實現(xiàn)軟開關(guān)，主、輔助開關(guān)管驅(qū)動信號之間要設(shè)置一定的死區(qū)時間。死區(qū)時間必須滿足如下的方程式:

TDelay≥IiLrV0+π2LrCr(19)

2 仿真分析

為了檢驗以上的分析，對低損耗軟開關(guān)Boost變換器進(jìn)行了仿真驗證。仿真軟件使用PSpice 9.2。仿真參數(shù)為:輸入電壓Vi=130~170 V，輸出電壓Vo=400 V，開關(guān)頻率fs=30 kHz，諧振電容1:Cr=3.3 nF，諧振電容2:Cr2=30 nF，諧振電感Lr=20 μH，主電感L=560 μH。

圖4為主開關(guān)管和輔助開關(guān)管驅(qū)動電壓、電壓和電流的波形。從圖4可以看出，由于體二極管在主開關(guān)前導(dǎo)通，所以主開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，輔助開關(guān)管也實現(xiàn)了軟開關(guān)。

圖4 主、輔助開關(guān)管仿真波形圖

3 結(jié) 語

從理論分析和仿真結(jié)果可以看出，由于諧振電路，本文提出的低損耗軟開關(guān)Boost電路可以實現(xiàn)主、輔助開關(guān)管的軟開關(guān)。這種變換器適用于高頻率的變換器、光電DC/DC變換器、功率因數(shù)校正等。

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