一種新型的ZVS-PWM-MR Boost變換器
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1．概 述
小型輕量化是目前開關(guān)電源類產(chǎn)品的追求目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段是提高開關(guān)頻率。然而開關(guān)頻率的提高會(huì)帶來開關(guān)損耗增加、嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）等問題，這些都限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)能很好的解決這些問題，但是目前軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展還不夠完善，存在著不少問題，如在實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)、降低電壓和電流應(yīng)力以及在較寬的輸入和負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等方面還有待進(jìn)一步的發(fā)展[1,3]。
本文提出了一種Boost變換器的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，它實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟開關(guān)，這不僅能降低開關(guān)損耗，更能顯著降低電磁干擾（EMI），同時(shí)它還具有和Boost硬開關(guān)變換器相同的電壓、電流應(yīng)力，且能在與Boost硬開關(guān)變換器近似相同的輸入和負(fù)載調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
2．工作原理
變換器的原理圖如圖1，其中D1、D2和C1、C2分別是開關(guān)管S1和S2的寄生二極管和寄生電容，在傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器的基礎(chǔ)上增加了開關(guān)管S2、二極管D3、D4和電感L ，它們與C1、C2共同構(gòu)成了諧振網(wǎng)絡(luò)。
圖1 變換器電路原理圖
為便于分析，假定Lf和Cf足夠大，則輸入可等效為電流源，輸出等效為電壓源。
圖2 變換器主要工作波形
(a) 在t0之前，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電感L通過S2、D3續(xù)流，保持能量，等效電路圖如圖3（g）。在t0時(shí)刻，S2關(guān)斷，電感L上儲(chǔ)存的能量給C2充電，C2上電壓持續(xù)上升直至達(dá)到V0，此后D4自然導(dǎo)通，將Vc2鉗位至V0。此階段S2零電壓關(guān)斷，D4零電壓導(dǎo)通。
(b)在此階段，L繼續(xù)通過D4、負(fù)載和D3通路放電，至t2時(shí)刻電感電流降至零，D3和D4自然關(guān)斷。此階段D3和D4零電流關(guān)斷。在（a）、（b）階段輸入電流均全部流經(jīng)整流二極管Do。
(c)電感電流降至零以后L與C1、C2形成諧振，電感電流改變方向，這時(shí)通過整流二極管Do的電流將是輸入電流Ii和諧振電流IL的和，其峰值為IDomax＝Ii+Vo/Ze，其中
。這是整個(gè)周期內(nèi)唯一一次過沖，但由于寄生電容的值較小，通過適當(dāng)?shù)娜≈悼墒蛊溥h(yuǎn)小于L，這樣IDomax≈Ii，與傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器相應(yīng)的值相同。
(d)通過前一階段的多諧振，將C1、C2上儲(chǔ)存的能量放掉，t3時(shí)刻C1、C2上電壓，也即是開關(guān)管S1、S2漏源極間的電壓降至零，故此時(shí)可在ZVS條件下開通S1和S2。由于L的存在，通過S1、S2的電流線升，故S1和S2開通時(shí)也處于零電流狀態(tài)。同時(shí)，通過Do的電流線性下降，至t4時(shí)刻IL上升至I0，IDo下降至零，Do自然關(guān)斷。
(e)在此階段輸入電流全部流經(jīng)開關(guān)管S1、S2，這與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器中的升壓電感儲(chǔ)能階段類似。PWM控制的實(shí)現(xiàn)也是通過調(diào)節(jié)此階段時(shí)間的長(zhǎng)短來實(shí)現(xiàn)的。
(f)在t5時(shí)刻關(guān)斷S1，則其寄生電容被充電，電壓線性上升，故S1是ZVS關(guān)斷。同時(shí)Do兩端的電壓線性下降，至t6時(shí)刻VC1上升至Vo，VDo下降降至零，則Do在ZVS條件下開通。
(g)此階段與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器中的升壓電感向負(fù)載釋放能量階段類似，輸入電流全部經(jīng)整流二極管Do流向負(fù)載側(cè)。與傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器不同的是，諧振電感L通過S2、D3形成續(xù)流通路而保持能量。至t7時(shí)刻S2關(guān)斷，完成一個(gè)循環(huán)周期。
3． 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件
1）時(shí)間條件
從上述工作原理的分析可很容易的得到實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的時(shí)間條件為：S2的關(guān)斷時(shí)間應(yīng)滿足
， S1的開通時(shí)間應(yīng)滿足
。同時(shí)應(yīng)注意到由于諧振電容的值很小，諧振階段在整個(gè)開關(guān)周期中所占比例是很小的，在忽略諧振階段的情況下，該變換器的輸出-輸入調(diào)節(jié)比為
，其中
，這與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器是相同的，因此該變換器與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器具有相同的輸入與負(fù)載調(diào)節(jié)范圍。
2）能量條件
此變換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的能量條件是在[t0－t1]時(shí)間段結(jié)束時(shí)，應(yīng)保證C2能充電至Vo。由于采用開關(guān)管的寄生電容作為諧振電容，故對(duì)于某一特定的變換器，C1和C2的值是確定的，需要選擇的是諧振電感L的值。在[t0－t1]階段，有
及初始條件
4．仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證此軟開關(guān)變換器的工作情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)開關(guān)頻率為100 kHz，功率為50 W的Boost變換器，各開關(guān)管的電壓、電流波形如圖4所示，可以看出，所有的開關(guān)管都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，因此波形都較為干凈，基本不存在開關(guān)噪聲，這也意味著較低的電磁干擾（EMI）。
5．結(jié) 論
本文提出了一種新型的ZVS-PWM Boost變換器，詳細(xì)分析了其工作原理，并進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明它能實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，有效降低了電磁干擾，并具有較低的電壓、電流應(yīng)力。
參考文獻(xiàn)
[1] B.P. Divakar and Ioinovici,A. PWM converter with low stress and zero capacitive turn-on losses. IEEE Trans on Aerospace and Electronic System,vol.33,No.3. pp. 913-920,July 1997.
[2] Yungtaek Jang and Milan M. Jovanovic. A new, soft-switched, high-power-factor Boost converter with IGBTs. IEEE Trans on Power Electronics,vol.17, No.4. pp. 469-476,July 2002.
[3] 阮新波，嚴(yán)仰光. 直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù). 北京：科學(xué)出版社
小型輕量化是目前開關(guān)電源類產(chǎn)品的追求目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段是提高開關(guān)頻率。然而開關(guān)頻率的提高會(huì)帶來開關(guān)損耗增加、嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）等問題，這些都限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)能很好的解決這些問題，但是目前軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展還不夠完善，存在著不少問題，如在實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)、降低電壓和電流應(yīng)力以及在較寬的輸入和負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等方面還有待進(jìn)一步的發(fā)展[1,3]。
本文提出了一種Boost變換器的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，它實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟開關(guān)，這不僅能降低開關(guān)損耗，更能顯著降低電磁干擾（EMI），同時(shí)它還具有和Boost硬開關(guān)變換器相同的電壓、電流應(yīng)力，且能在與Boost硬開關(guān)變換器近似相同的輸入和負(fù)載調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
2．工作原理
變換器的原理圖如圖1，其中D1、D2和C1、C2分別是開關(guān)管S1和S2的寄生二極管和寄生電容，在傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器的基礎(chǔ)上增加了開關(guān)管S2、二極管D3、D4和電感L ，它們與C1、C2共同構(gòu)成了諧振網(wǎng)絡(luò)。
為便于分析，假定Lf和Cf足夠大，則輸入可等效為電流源，輸出等效為電壓源。
(a) 在t0之前，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電感L通過S2、D3續(xù)流，保持能量，等效電路圖如圖3（g）。在t0時(shí)刻，S2關(guān)斷，電感L上儲(chǔ)存的能量給C2充電，C2上電壓持續(xù)上升直至達(dá)到V0，此后D4自然導(dǎo)通，將Vc2鉗位至V0。此階段S2零電壓關(guān)斷，D4零電壓導(dǎo)通。
(b)在此階段，L繼續(xù)通過D4、負(fù)載和D3通路放電，至t2時(shí)刻電感電流降至零，D3和D4自然關(guān)斷。此階段D3和D4零電流關(guān)斷。在（a）、（b）階段輸入電流均全部流經(jīng)整流二極管Do。
(c)電感電流降至零以后L與C1、C2形成諧振，電感電流改變方向，這時(shí)通過整流二極管Do的電流將是輸入電流Ii和諧振電流IL的和，其峰值為IDomax＝Ii+Vo/Ze，其中
(d)通過前一階段的多諧振，將C1、C2上儲(chǔ)存的能量放掉，t3時(shí)刻C1、C2上電壓，也即是開關(guān)管S1、S2漏源極間的電壓降至零，故此時(shí)可在ZVS條件下開通S1和S2。由于L的存在，通過S1、S2的電流線升，故S1和S2開通時(shí)也處于零電流狀態(tài)。同時(shí)，通過Do的電流線性下降，至t4時(shí)刻IL上升至I0，IDo下降至零，Do自然關(guān)斷。
(e)在此階段輸入電流全部流經(jīng)開關(guān)管S1、S2，這與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器中的升壓電感儲(chǔ)能階段類似。PWM控制的實(shí)現(xiàn)也是通過調(diào)節(jié)此階段時(shí)間的長(zhǎng)短來實(shí)現(xiàn)的。
(f)在t5時(shí)刻關(guān)斷S1，則其寄生電容被充電，電壓線性上升，故S1是ZVS關(guān)斷。同時(shí)Do兩端的電壓線性下降，至t6時(shí)刻VC1上升至Vo，VDo下降降至零，則Do在ZVS條件下開通。
(g)此階段與傳統(tǒng)硬開關(guān)Boost變換器中的升壓電感向負(fù)載釋放能量階段類似，輸入電流全部經(jīng)整流二極管Do流向負(fù)載側(cè)。與傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器不同的是，諧振電感L通過S2、D3形成續(xù)流通路而保持能量。至t7時(shí)刻S2關(guān)斷，完成一個(gè)循環(huán)周期。
3． 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件
1）時(shí)間條件
從上述工作原理的分析可很容易的得到實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的時(shí)間條件為：S2的關(guān)斷時(shí)間應(yīng)滿足
2）能量條件
此變換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的能量條件是在[t0－t1]時(shí)間段結(jié)束時(shí)，應(yīng)保證C2能充電至Vo。由于采用開關(guān)管的寄生電容作為諧振電容，故對(duì)于某一特定的變換器，C1和C2的值是確定的，需要選擇的是諧振電感L的值。在[t0－t1]階段，有
4．仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證此軟開關(guān)變換器的工作情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)開關(guān)頻率為100 kHz，功率為50 W的Boost變換器，各開關(guān)管的電壓、電流波形如圖4所示，可以看出，所有的開關(guān)管都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，因此波形都較為干凈，基本不存在開關(guān)噪聲，這也意味著較低的電磁干擾（EMI）。
5．結(jié) 論
本文提出了一種新型的ZVS-PWM Boost變換器，詳細(xì)分析了其工作原理，并進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明它能實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，有效降低了電磁干擾，并具有較低的電壓、電流應(yīng)力。
參考文獻(xiàn)
[1] B.P. Divakar and Ioinovici,A. PWM converter with low stress and zero capacitive turn-on losses. IEEE Trans on Aerospace and Electronic System,vol.33,No.3. pp. 913-920,July 1997.
[2] Yungtaek Jang and Milan M. Jovanovic. A new, soft-switched, high-power-factor Boost converter with IGBTs. IEEE Trans on Power Electronics,vol.17, No.4. pp. 469-476,July 2002.
[3] 阮新波，嚴(yán)仰光. 直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù). 北京：科學(xué)出版社
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