一种新型无源无损软开关Boost变换器

1、一种新型无源无损软开关Boost变换器Boost对一种新型无源无损软开关Boost变换器的丄作原理和参数选择进行分析，并给出理论波形和仿真波形。1开关电源訂前存在五个挑战性的问题，能否更加小型化就是其中之一。使开关 电源小型化的重要途径是提高开关频率。高频化能使变压器和电感等磁性元件以及电容 体积和重量大为减少，从而提高变换器的功率密度。但是提高开关频率的同时也增加了开关 损耗，并使电磁干扰更加严重。采用软开关技术可以降低开关损耗，使开关电源可以在低损 耗情况下实现高频运行。其实现方法可分为有源和无源软开关技术。有源软开关技术在原有 电路上附加有源器件（如开关），价格比较昂贵，工作时还要增加控

2、制电路以对附加开关进 行控制，电路复杂，可靠性比较差。相比之下，无源软开关电路简单，可黑性高，价格便 宜。这些优点使得无源软开关近儿年倍受青睐。对于PWM变换器，无源软开关通过降低有源开 关的di/dt和dv/dt来实现零电流导通和/或零电压关断，以减少开关损耗。文献 1对无源软开关技术进行了总结，并提出了无源无损软开关PWM变换器合成方 法。根据这种方法，可以合成多种性能良好的软开关PWM变换器。本文对其中的一种合成新型软开关Boost变 换器的工作原理及参数选择进行了分析，给出理论波形和仿真波形，并对其进行分 析。2这种新型无源软开关变换器在Boost基本拓扑基础上附加了一个子电路，如图1

3、虚框中所示。子电路包括一个电感L,两个电容C、C,三个二极管D、D和D。L提供主开关 rsrl23r零电流开通条件，限制二极管D的反向恢复电流。电容Cs提供开关零电压关 断条件。电容C为电感L能量恢复提供能量。这种变换器有七种运行模态。假设各种元器件 为理想元器rr件，且CC下面对其进行分析。sr(1) tt 0开关S处于关断状态，此时v二V, v二0, i二i。简化电路如图2)所示，波形图 如图 csOcrLrin3所示。(2) tt 01从t开始，开关S导通，电流让r线性下降，简化电路如图2(b)所示。t=t时，电流iOlLr减少到零，二极管D关断，波形图如图3所示。这段时间为:汨 25-

4、JC4But ittAZ1r/A i h t“ 戶 4r*A 3电弧宅邢円2(c)所示，波形图如图3所示。在此过程中，电流i、电容电压v和电容电压 v 由下 Lrcscr面公式决定。1. = _占7( g(2)yr 1 *.()(31 4zzl 皿)丨(4)时，C放电过程结束,v二0,波形图如图3。电容电压v从最大值降到零的时间 t2scscst=t由式(5)决定。IU逮)(5)(4) tt23从t开始,山于v二0,D导通，电感L和电容C发生谐振，电感电流i流经D和 D2cslrrLl,向C充电。电容电压v继续上升，简化电路如图2(d)所示。t=t 时，v达到最大值V2rcr3crCrmax,

5、电感电流iLr降到零，波形图如图3所示。这段时间为:tz I = fl - fl S(6)式mir Jlc为曲血氏呦(5) tt 34从t开始，由于20, D和D关断，V保持在最大值V。变换器工作在PWM状3Lrl2crCrmax态，且i二i,简化电路如图2 (e)所示，波形图如图3所示。t二t时, 开关S关断。Ls4(6) tt 45从t开始，由于开关S关断，电源V路经L, D向C充电，V从零开始上升； 另4ilscs 路则经L, L, C, D向负载供电，同时电容C放电，v下降，i上升， 简化电路如图rr3rcrLr2(f)所示。t二t时,v达到V。波形图如图3所示。5csO(7) tt

6、56开始,v被钳在V,即V二V；电源继续经L, L, C,D向负载供电，电容 C5csOCsmaxOrr3r继续放电。t二t时，电容电压v降到零，同时电感电流i上升到 I, i二I,简化电路如图6crLrinLrin从t2(g)所示,波形图如图3所示。(8) tt 67从t开始，变换器重新工作在PWM状态，简化电路如图2)所示。t二t时，开 关S导67通，开始下一个周期的工作。由上面各工作模态分析可知：当开关S导通时，由于i二I,电感电流不能突 变，使得Lrin电流i从零开始上升；当开关S关断时，由于尸0,电容电压不能 突变，把开关电压vscsds钳在零，当电源V对C充电时，开关电压vds才开

7、始上 升，从而实现零电流开通和零电压关is断，并且最大开关电压Vdsmc被钳在V。也就是说，这种新型无源无损软开关 Boost 交 0换器在没有增加开关应力的基础上实现了零电流开通和零电压关断。3附加子电路只给开关提供软开关条件，因而其参数的设置条件是：保证附加子 电路提供软开关条件，但不影响原电路的工作。一般情况下，C的值小于10nF,而C的 值是C的srs20倍以上。t （也即t,为C放电，v从V降到零的时间）不宜太小，因为这段 时间一12sscs0太小，开关电流上升的时间就短，di/dt将变大，使得EMI增大，也即电感L 不宜太小。但r是L也不宜过大，过大将使子电路的工作时间较长，增加了

8、工作损耗，影响原 电路的工作，r并且也影响了电路零电流开通的条件。4利用以上的电路原理，对一个带有这种附加电路的Boost变换器进行仿真。参 数如下：C=400nF, C=10nF, L=200 u H, C=40 P F, R=50 Q , Vi二 13V。在其他参数确定的 情况下，rs可用Pspice中的参数扫描分析功能确定L的值。分析结果取L二50UH。仿真结 果如图4所示。$gI$ .一 T (. 1；T 4-亠i V(VI )II SJiny.V VK I 2.(12-11ICI(94 1ST龙晁霽卜电注及电瓜伎由图4可知，当开关导通时，开关电压V (Ml： d) (Yds)下降，山于电感Lr的作用,在开关电压V (Ml： d) (V)降到零后，才从零开始上sds电流不能突变，使得开关电流i升，实现了开关的零电流导通。肖开关关断时，山于电容C的钳压作用，开关 电压从低电S压上升，基本实现零电压关断。而电感电流iLr和电压ver波形与理论分析的 是一致的。文献2中提出的软开关也是无源软开关。不同的是，文献2中提出的电路附 加电感Lr插在开关支路，当开关关断时，电感能量必须回到零，以减少导通损 耗。而本文分析的电路附加电感L插在二极管D支