低损耗软开关Boost变换器

摘要：介绍一种新的软开关Boost变换器。传统的Boost变换器在开通和关断时将产生开关损耗，因此使整个系统的效率下降。新的Boost变换器利用软开关方法增加了辅助开关管和谐振电路。这样，相比硬开关情况下，变换器减小了开关损耗。这种变换器可以应用在光伏系统、功率因子校正等装置中。详细分析电路的工作原理以及实现软开关的条件，利用Pspice 9．2软件进行仿真验证。仿真结果表明，该变换器的所有开关器件都实现了软开关，从而使效率得到提高。
关键词：升压电路；软开关；谐振电路；功率因子校正

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。

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。

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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：
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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，所以主开关管实现了零电压开关，辅助开关管也实现了软开关。

3 结语
从理论分析和仿真结果可以看出，由于谐振电路，本文提出的低损耗软开关Boost电路可以实现主、辅助开关管的软开关。这种变换器适用于高频率的变换器、光电DC／DC变换器、功率因数校正等。