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低损耗软开关Boost变换器

电源技术应用 南京邮电大学 朱玉婷 周西峰 郭前岗?? 2010年04月22日 ?? 收藏0

  0 引言

  近年来,随着开关频率的提高,开关电源变得轻小化,但是开关频率和开关损耗成正比,开关频率提高,开关损耗也增大,从而使整体系统的开关损耗增大。许多变换器采用谐振来减小开关损耗,但是辅助谐振电路增大了电路的复杂性,而且也增加了电路的成本。在一些有辅助开关的谐振变换器中,主开关管实现了软开关,但是辅助开关管却还是工作在硬开关状态下。所以,由于辅助开关管开关损耗的存在,这些变换器并不能提高整个系统的效率。

  传统Boost变换器以其结构简单,易实现等优点,已广泛应用于升压场合。光伏发电系统中,光伏阵列电池的输出电压较低,迫切需要较大的升压,以满足后级逆变器的需要。为了提高变换器的变换能力、可调范围和效率,对传统的Boost变换器进行了改进。本文提出一种新的软开关Boost变换器,通过采用辅助开关管和谐振电路的电路结构实现了主、辅助开关管的软开关。相比其他的软开关变换器而言,在同样的频率下,既减小了开关损耗,又提高了整体系统效率。本文详细分析了这种变换器的工作原理,实现软开关的条件并通过PSpice进行仿真实验。

  1 低损耗软开关Boost变换器

  1.1 电路

拓扑结构

  低损耗软开关Boost变换器如图1所示。

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  图1中,S1为主开关管,Do为主二极管,L和Co分别是滤波电感和滤波电容,辅助谐振电路由辅助开关管S2、谐振电容Cr2和Cr、谐振电感Lr和辅助二极管D1和D2组成,它为主开关管和辅助开关管创造了软开关的条件。图2为低损耗软开关Boost变换器的主要工作波形图。

  1.2 工作原理

  为便于对低损耗软开关Boost电路的工作原理进行分析,需作如下几点假设:

  (1)电路中所有元件都是理想的;

  (2)主电感L足够大,在一个开关周期中,其电流基本保持不变;

  (3)输出滤波电容Co足够大,在一个开关周期中,Co和R可用一个恒值电压源代替。

  整个开关周期可以分为9个工作状态,各开关状态的工作情况描述如下,如图3所示。

  模态1(t0~t1):主、辅助开关管关断。主电感中的能量通过主二极管传递到负载中。主电感电流表达式为:

  模态2(t1~t2):辅助开关管导通,谐振电感电流从零开始线性增大。t2时刻,谐振电感电流ILr达到主电感电流值,模态2结束。这段时间结束,主电感电流和谐振电感电流表达式为式(2)和式(3):

  模态3(t2~t3):当谐振电感电流等于主电感电流时,主二极管导通,Cr和Lr开始谐振,谐振电容Cr放电。当谐振结束,谐振电容电压为零。t2时刻,谐振电容电压等于输出电压Vo,模态3结束。t1到两个电流相等的时间间隔为:

  模态4(t3~t4):谐振电容Cr电压为零,主开关管的体二极管自然导通。体二极管导通时,主开关管电压为零。这时,导通信号给主开关创造了零电压条件。主电感电流为:

  模态5(t4~t5):在模态4下,主开关管零电压导通。同时,辅助开关管零电压关闭,进入模态5。在这一阶段,谐振电感Lr和谐振电容Cr2开始谐振。经过半个谐振周期后,Lr电流为零,模态5结束,此时,Cr2充电已满。

  模态6(t5~t6):在这个模态中,ILr从零开始反方向流动。主开关管、Lr、Cr2和二极管D2构成谐振回路。此时,Cr2电压下降到零。然后,Lr和Cr2谐振结束。这段时间,谐振电容放电表达式为:

  模态7(t6~t7):Cr2电压为零后,辅助开关管的体二极管导通。电流流过体二极管,谐振电感-主开关。由于PWM运算法则,主开关关断,模态7结束。在这段时间,谐振电感电流值等于t3。时刻的电流值,但是是反向的。

  模态8(t7~t8):两个电感电流都对谐振电容Cr充电。当谐振电容电压等于输出电压时,这个模态结束。式(16)为实现零电压的条件。

  模态9(t8~t9):谐振电容Cr放电,主二极管电压为零。因此,主二极管导通,谐振电感电流线性减小到零。当电流为零时,模态9结束,开始下一个开关周期。这个模态,主电感电流和谐振电感电流为:

  1.3 实现软开关的条件

  由上分析可知,为了实现软开关,主、辅助开关管驱动信号之间要设置一定的死区时间。死区时间必须满足如下的方程式:

  2 仿真分析

  为了检验以上的分析,对低损耗软开关Boost变换器进行了仿真验证。仿真软件使用:PSpice 9.2。仿真参数为:输入电压Vi=130~170 V,输出电压Vo=400 V,开关频率fs=30 kHz,谐振电容1:Cr=3.3 nF,谐振电容2:Cr2=30 nF,谐振电感Lr=20μH,主电感L=560 μH。

  图4为主开关管和辅助开关管驱动电压、电压和电流的波形。从图4可以看出,由于体二极管在主开关前导通


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Boost变换器? 开关电源? PSpice? 谐振?

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