Boost電路的一種軟開關(guān)實現(xiàn)方法
關(guān)鍵詞：升壓電路；軟開關(guān)；同步整流
引言
輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關(guān)頻率提高的瓶頸是器件的開關(guān)損耗，于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運而生。一般，要實現(xiàn)比較理想的軟開關(guān)效果，都需要有一個或一個以上的輔助開關(guān)為主開關(guān)創(chuàng)造軟開關(guān)的條件，同時希望輔助開關(guān)本身也能實現(xiàn)軟開關(guān)。
Boost電路作為一種最基本的DC/DC拓?fù)涠鴱V泛應(yīng)用于各種電源產(chǎn)品中。由于Boost電路只包含一個開關(guān)，所以，要實現(xiàn)軟開關(guān)往往要附加很多有源或無源的額外電路，增加了變換器的成本，降低了變換器的可靠性。
Boost電路除了有一個開關(guān)管外還有一個二極管。在較低壓輸出的場合，本身就希望用一個MOSFET來替換二極管（同步整流），從而獲得比較高的效率。如果能利用這個同步開關(guān)作為主開關(guān)的輔助管，來創(chuàng)造軟開關(guān)條件，同時本身又能實現(xiàn)軟開關(guān)，那將是一個比較好的方案。
本文提出了一種Boost電路實現(xiàn)軟開關(guān)的方法。該方案適用于輸出電壓較低的場合。
1 工作原理
圖1所示的是具有兩個開關(guān)管的同步Boost電路。其兩個開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，中間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。通常設(shè)計中電感上的電流為一個方向，如圖2第5個波形所示?？紤]到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時間，一個周期可以分為5個階段，各個階段的等效電路如圖3所示。下面簡單描述了電感電流不改變方向的同步Boost電路的工作原理。在這種設(shè)計下，S2可以實現(xiàn)軟開關(guān)，但是S1只能工作在硬開關(guān)狀態(tài)。
1）階段1〔t0～t1〕該階段，S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流線性增加。在t1時刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2）階段2〔t1～t2〕S1關(guān)斷后，電感電流對S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，使S2的結(jié)電容進(jìn)行放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
3）階段3〔t2～t3〕當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4）階段4〔t3～t4〕S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。電感L上的電流又流過S2。L上承受輸出電壓和輸入電壓之差，電流線性減小，直到S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5）階段5〔t4～t5〕此時電感L上的電流方向仍然為正，所以該電流只能轉(zhuǎn)移到S2的寄生二極管上，而無法對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。因此，S1是工作在硬開關(guān)狀態(tài)的。
接著S1導(dǎo)通，進(jìn)入下一個周期。從以上的分析可以看到，S2實現(xiàn)了軟開關(guān)，但是S1并沒有實現(xiàn)軟開關(guān)。其原因是S2關(guān)斷后，電感上的電流方向是正的，無法使S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。但是，如果將L設(shè)計得足夠小，讓電感電流在S2關(guān)斷時為負(fù)的，如圖4所示，就可以對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電而實現(xiàn)S1的軟開關(guān)了。
在這種情況下，一個周期可以分為6個階段，各個階段的等效電路如圖5所示。其工作原理描述如下。
1）階段1〔t0～t1〕該階段，S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流正向線性增加，從負(fù)值變?yōu)檎怠Ｔ趖1時刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2）階段2〔t1～t2〕S1關(guān)斷后，電感電流為正，對S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，使S2的結(jié)電容放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降。直到S2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
3）階段3〔t2～t3〕當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4）階段4〔t3～t4〕S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。電感L上的電流又流過S2。L上承受輸出電壓和輸入電壓之差，電流線性?小，直到變?yōu)樨?fù)值，然后S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5）階段5〔t4～t5〕此時電感L上的電流方向為負(fù)，正好可以使S1的結(jié)電容進(jìn)行放電，對S2的結(jié)電容進(jìn)行充電。S1的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降。直到S1的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
6）階段6〔t5～t6〕當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管就導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通，進(jìn)入下一個周期?？梢钥吹剑谶@種方案下，兩個開關(guān)S1和S2都可以實現(xiàn)軟開關(guān)。
2 軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計
以上用同步整流加電感電流反向的辦法來實現(xiàn)Boost電路的軟開關(guān)，其中兩個開關(guān)實現(xiàn)軟開關(guān)的難易程度并不相同。電感電流的峰峰值可以表示為
ΔI=(VinDT)/L （1）
式中：D為占空比；
T為開關(guān)周期。
所以，電感上電流的最大值和最小值可以表示為
Imax=ΔI/2＋I(xiàn)o （2）
Imin=ΔI/2－Io （3）
式中：Io為輸出電流。
將式（1）代入式（2）和式（3）可得
Imax=(VinDT)/2L＋I(xiàn)o （4）
Imin=(VinDT)/2L－Io （5）
從上面的原理分析中可以看到S1的軟開關(guān)條件是由Imin對S2的結(jié)電容充電，使S1的結(jié)電容放電實現(xiàn)的；而S2的軟開關(guān)條件是由Imax對S1的結(jié)電容充電，使S2的結(jié)電容放電實現(xiàn)的。另外，通常滿載情況下|Imax|?|Imin|。所以，S1和S2的軟開關(guān)實現(xiàn)難易程度也不同，S1要比S2難得多。這里將S1稱為弱管，S2稱為強(qiáng)管。
強(qiáng)管S2的軟開關(guān)極限條件為L和S1的結(jié)電容C1和S2的結(jié)電容C2諧振，能讓C2上電壓諧振到零的條件，可表示為式（6）。
將式（4）代入式（6）可得
實際上，式（7）非常容易滿足，而死區(qū)時間也不可能非常大，因此，可以近似認(rèn)為在死區(qū)時間內(nèi)電感L上的電流保持不變，即為一個恒流源在對S2的結(jié)電容充電，使S1的結(jié)電容放電。在這種情況下的ZVS條件稱為寬裕條件，表達(dá)式為式（8）。
(C2＋C1)Vo≤（VinDT/2L+Io）tdead2 （8）
式中：tdead2為S2開通前的死區(qū)時間。
同理，弱管S1的軟開關(guān)寬裕條件為
(C1＋C2)Vo≤(VinDT/2L-Io)tdead1 （9）
式中：tdead1為S1開通前的死區(qū)時間。
在實際電路的設(shè)計中，強(qiáng)管的軟開關(guān)條件非常容易實現(xiàn)，所以，關(guān)鍵是設(shè)計弱管的軟開關(guān)條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時間，然后根據(jù)式(9)推算出電感量L。因為，在能實現(xiàn)軟開關(guān)的前提下，L不宜太小，以免造成開關(guān)管上過大的電流有效值，從而使得開關(guān)的導(dǎo)通損耗過大。
3 實驗結(jié)果
一個開關(guān)頻率為200kHz，功率為100W的電感電流反向的同步Boost變換器進(jìn)一步驗證了上述軟開關(guān)實現(xiàn)方法的正確性。
該變換器的規(guī)格和主要參數(shù)如下：
輸入電壓Vin24V
輸出電壓Vo40V
輸出電流Io0～2.5A
工作頻率f200kHz
主開關(guān)S1及S2IRFZ44
電感L4.5μH
圖6(a)，圖6（b）及圖6(c)是滿載（2.5A）時的實驗波形。從圖6(a)可以看到電感L上的電流在DT或(1－D)T時段里都會反向，也就是創(chuàng)造了S1軟開關(guān)的條件。從圖6(b)及圖6(c)可以看到兩個開關(guān)S1和S2都實現(xiàn)了ZVS。但是從電壓vds的下降斜率來看S1比S2的ZVS條件要差，這就是強(qiáng)管和弱管的差異。
圖7給出了該變換器在不同負(fù)載電流下的轉(zhuǎn)換效率。最高效率達(dá)到了97.1％，滿載效率為96.9％。
4 結(jié)語
本文提出了一種Boost電路軟開關(guān)實現(xiàn)策略：同步整流加電感電流反向。在該方案下，兩個開關(guān)管根據(jù)軟開關(guān)條件的不同，分為強(qiáng)管和弱管。設(shè)計中要根據(jù)弱管的臨界軟開關(guān)條件來決定電感L的大小。因為實現(xiàn)了軟開關(guān)，開關(guān)頻率可以設(shè)計得比較高。電感量可以設(shè)計得很小，所需的電感體積也可以比較?。ㄍǔ？梢杂肐型磁芯）。因此，這種方案適用于高功率密度、較低輸出電壓的場合。
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