中心議題：
解決方案：
- 元器件都是采用無源元器件
- 有源和無源軟開關(guān)技術(shù)
1前言
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Lr,，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Lr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：t0－1=t1－t0=（1）
（3）t1～t2
從t1開始，Cs開始經(jīng)D2,，Cr、Lr和開關(guān)S放電,，vcr從零上升,，電流iLr從零反方向增加，簡(jiǎn)化電路如圖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,。iLr=－sin(ωt)（2）vcr=〔1－cos(ωt)〕（3）vcs=VO＋〔cos(ωt)－1〕（4）
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,。ts=arccos（5）
（4）t2～t3
從t2開始,，由于vcs=0，D1導(dǎo)通,，電感Lr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：
t2－3=t3－t2=Tr(6)式中：Tr=2π為諧振周期,。
（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Lr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Lr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
而本文分析的電路附加電感Lr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。