《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器的原理分析
摘要: 對于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來實現(xiàn)零電流導(dǎo)通和/或零電壓關(guān)斷,,以減少開關(guān)損耗,。本文對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,,并對其進(jìn)行分析,。
Abstract:
Key words :

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現(xiàn)高頻運行,。其實現(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)),,價格比較昂貴,,工作時還要增加控制電路以對附加開關(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)電路簡單,,可靠性高,,價格便宜。這些優(yōu)點使得無源軟開關(guān)近幾年倍受青睞,。對于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)上附加了一個子電路,,如圖1虛框中所示。

圖1新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器


子電路包括一個電感Lr,,兩個電容Cs,、Cr,三個二極管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vcs=VO,vcr=0,,iLr=iin,。簡化電路如圖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,,簡化電路如圖2(b)所示,。t=t1時,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,,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,,簡化電路如圖2(d)所示。t=t3時,,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,,簡化電路如圖2(e)所示,波形圖如圖3所示,。t=t4時,,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,,同時電容Cr放電,vcr下降,,iLr上升,,簡化電路如圖2(f)所示。t=t5時,,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,,電容電壓vcr降到零,同時電感電流iLr上升到Iin,,iLr=Iin,,簡化電路如圖2(g)所示,波形圖如圖3所示,。

圖2新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器的工作模態(tài)
 
圖3 Boost變換器各電流和電壓波形圖


(8)t6~t7

從t6開始,,變換器重新工作在PWM狀態(tài),簡化電路如圖2(a)所示,。t=t7時,,開關(guān)S導(dǎo)通,開始下一個周期的工作,。

由上面各工作模態(tài)分析可知:當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時,,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,,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Cs充電時,開關(guān)電壓vds才開始上升,從而實現(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)上實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷,。

3參數(shù)計算

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降到零的時間)不宜太小,,因為這段時間太小,開關(guān)電流上升的時間就短,,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間較長,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,,對一個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,。

(a)開關(guān)S電壓和電流的波形
 
(b)附加電感Lr電流與開關(guān)控制信號的波形
 
(c)附加電容Cr電壓與開關(guān)控制信號的波形
圖4 Boost變換器各電流及電壓仿真波形


由圖4可知,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時,,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,實現(xiàn)了開關(guān)的零電流導(dǎo)通,。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時,,由于電容Cs的鉗壓作用,開關(guān)電壓從低電壓上升,,基本實現(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)斷時充電,。由以上分析可知,兩個附加電路功能一樣,,但在各個工作模態(tài)中對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,價格比較便宜,,可靠性較強,,損耗低,只需用一個控制電路對主開關(guān)進(jìn)行控制,,并且在不增加開關(guān)應(yīng)力的情況下實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷,。

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