基于Saber的ZVS PWM Boost變換器的分析與仿真

摘 要： 為了使開關(guān)電源達到高功率密度和易于便攜的要求，采用高頻PWM（Pulse Width Modulation）軟開關(guān)控制方式，不但利于減小開關(guān)電源的體積，而且還能有效降低開關(guān)器件損耗和噪音。詳細分析了零電壓變換ZVS(Zero Voltage Switch)PWM脈寬調(diào)制Boost變換器的軟開關(guān)過程及實現(xiàn)軟開關(guān)的條件,利用Saber軟件對Boost電路在硬、軟開關(guān)條件下進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明ZVS PWM軟開關(guān)變換技術(shù)具有開關(guān)損耗小、恒頻控制和變換效率高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 軟開關(guān)；諧振回路；ZVS PWM boost；Saber

　直流開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛應用于通信、計算機、工業(yè)儀器儀表、醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域。目前直流開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著高效率、高頻化、集成化、輕型化、綠色化的方向發(fā)展[1]。Boost變換器以其結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)等優(yōu)點，廣泛應用于中小功率升壓場合[2-4]。由于開關(guān)器件的開關(guān)損耗與頻率成正比[5]，在硬開關(guān)條件下提高開關(guān)頻率，使電源輕型化的過程中，變換器的開關(guān)器件損耗增加，感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通電流尖峰隨之增大，電磁干擾(EMI)也會加重。而軟開關(guān)技術(shù)是解決這一矛盾的有效方法，所謂軟開關(guān)技術(shù)實際是利用電感與電容諧振，使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦波或準正弦波規(guī)律變化。當電流過零時，使器件關(guān)斷；當電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零[6-7]。
　Boost電路是一種典型的DC/DC變換電路拓撲。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出電壓較低[8]，在實際應用中必須進行升壓，以滿足后級逆變器的需要。為了提高變換器的變換效率、降低損耗，對傳統(tǒng)的Boost變換器進行了改進。本文中的軟開關(guān)Boost變換器，通過采用輔助開關(guān)管和諧振電路，實現(xiàn)了主開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)。相比其他的軟開關(guān)變換器，在同樣的控制頻率下，既減小了開關(guān)損耗，又提高了變換效率。Saber是美國Analogy公司開發(fā)的功能強大的系統(tǒng)仿真軟件，它具有強大的混合信號分析功能。本文詳細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Saber進行仿真實驗驗證。
1 ZVS PWM Boost電路結(jié)構(gòu)
　直流電源Uin、輸入濾波電感Lf、主開關(guān)管M1、二極管D1、輸出濾波電容Cf和負載R構(gòu)成基本的Boost電路拓撲，如圖1所示。輔助開關(guān)管M2，二極管D2、D3，諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成有源軟開關(guān)環(huán)節(jié)。

　開通時，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開關(guān)管M1的開通電流上升率di/dt，使得M1和D1具有ZVON環(huán)境，可有效減少開關(guān)損耗。在關(guān)斷時，與M1并聯(lián)的電容Cr可以有效抑制主開關(guān)管關(guān)斷時的電壓上升率du/dt，為M1和D1營造ZVOFF環(huán)境，可有效減少關(guān)斷損耗。二極管D2、D3起到續(xù)流和換流的作用。

2 電路工作過程分析
　對Boost電路做如下分析，假設：
　(1)輸入濾波電感Lf足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)電流近似為恒值id=Iin，與輸入電源Uin一起構(gòu)成等效恒流源；
　(2)輸出濾波電容Cf足夠大，與負載R一起等效為恒值電壓源；
　(3)除主、輔開關(guān)管和二極管以外，其余元件均具有理想特性。
　電路進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，整個開關(guān)周期可以分為8個工作狀態(tài)，在一個周期內(nèi)各階段等效電路如圖2所示，各圖中粗線表示實際的電流路徑。各階段分述如下：
　狀態(tài)1(t0~t1)：t0時刻之前，主開關(guān)管M1和輔助開關(guān)管M2已關(guān)斷，電路處于D1穩(wěn)定導通狀態(tài)。在t0時刻，輔助開關(guān)管M2導通，二極管D1在反向恢復電流的作用下仍然導通，諧振電容被嵌位，諧振電感電流線性上升，在t1時刻iD1與iLr完成線性換流，D1完成反向恢復。在該階段D1具有ZCZVOFF環(huán)境。此時有：

　狀態(tài)2(t1~t2)：t2時刻D1關(guān)斷，Cr的嵌位作用消失，在Cr、Lr諧振作用下iLr繼續(xù)上升，能量從Cr向Lr傳遞。此時有：

3 軟開關(guān)工作條件
　軟開關(guān)環(huán)節(jié)的正常工作，需要確保在一個開關(guān)周期內(nèi)所吸收的能量能夠完全轉(zhuǎn)移到負載中去。根據(jù)式(1)~式(5)及初始條件，iLr與iD1的換流時間可以由式(9)表示，諧振時間由式(10)表示。對本文中所述的電路，需要在M1開通前使得UM1降為零，為此需要輔助開關(guān)管M2的觸發(fā)信號上升沿超前于主開關(guān)管M1觸發(fā)信號上升沿的時間T(即延遲時間)大于換流時間t′和諧振時間t″之和，其關(guān)系表示為：

　諧振電容Cr的主要作用是限制主開關(guān)管M1的電壓上升率，同時降低開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰值，以保護開關(guān)管正常工作。實際的諧振電感Cr值是主開關(guān)管的寄生電容值和外加電容值之和。由于較大的諧振電容Cr將在主開關(guān)管開通時加大損耗，難以實現(xiàn)零電壓開通。因此，實際中的諧振電容值一般很小，本文中取諧振電容Cr=1 nF高頻陶瓷電容。
　諧振頻率fr一般取開關(guān)頻率fs的5～10倍。若過高，諧振電流峰值太大；若過低，主回路的占空比利用率低，會造成輸入電流的畸變和輸出電壓的不穩(wěn)。所以，在滿足諧振頻率的要求下，根據(jù)得出的諧振電感值和諧振電容值，可以計算出延遲時間T=389 ns。
5 仿真試驗及結(jié)果分析
　為了驗證以上ZVZCS全橋變換器工作原理及上述分析的正確性，本研究對ZVS PWM Boost電路進行了仿真設計。仿真軟件使用Saber，在Saber/Sketch環(huán)境下建立仿真模型。根據(jù)分析計算出的參數(shù)結(jié)果選擇主要仿真器件為：主、輔開關(guān)管IRF150，D1為MUR460，D2、D3為MUR1540。
　仿真結(jié)果分別為圖3、圖4、圖5所示。圖3為主開關(guān)管在硬、軟開關(guān)條件的開通、關(guān)斷的電壓、電流波形圖。圖4為續(xù)流二極管D1在硬、軟開關(guān)條件的電壓、電流波形圖。圖5為在硬軟開關(guān)條件下輸出電壓、電流波形圖。從仿真波形圖形可以看出，由于諧振環(huán)節(jié)的作用，主開關(guān)管M1和續(xù)流二極管D1都實現(xiàn)了軟開關(guān)，有效降低了開關(guān)損耗。同時，使得輸出電壓、電流均值增大，提高了變換器工作效率。

　從理論分析和仿真結(jié)果可以看出，由于諧振電路、ZVS PWM Boost電路可以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，并使續(xù)流二極管具有軟開關(guān)環(huán)境，從而有效減少了開關(guān)損耗，在一定程度上抑制了噪聲。變換效率明顯提高，節(jié)能效果明顯，且開關(guān)頻率固定、易于實現(xiàn)控制，更適合于中小功率變換器。
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