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

中图分类号:TM92文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-073-03

Low Loss Soft Switching Boost Converter

ZHU Yuting,ZHOU Xifeng,GUO Qiangang

(Automation College,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing,210003,China)

Abstract:A new soft switching Boost converter is proposed.The conventional Boost converter generates switching loss at turn on and off.Because of those,the whole system′s efficiency is reduced.The proposed converter utilizes soft switching method using an auxiliary switch and resonant circuit.Therefore,the converter reduces switching loss lower than the hard switching.The proposed soft switching Boost converter can be applied to photovoltaic system,power factor correction and so forth.The operation principles of the converter and the conditions for realization of soft switching are analyzed in detail,simulation analysis is given by the PSpice 9.2.Its simulation results prove that all the switches in soft switching state and the efficiency of the converter is improved.

Keywords:Boost converter;soft switching;resonant circuit;power factor correction

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[5]。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[8]。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 低损耗软开关Boost变换器

图1中,S1为主开关管,D0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。

图2 低损耗软开关Boost电路主要波形图

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:

IL=IL(t9)-Vo-ViLt(1)

图3 低损耗软开关Boost变换器各开关模态的等效电路

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):

ILr(t)=VoLrt(2)

IL(t)Imin(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:

t12=ILm(Vo/Lr)(4)

谐振周期为:

tr=π2LrCr(5)

谐振阻抗为Zr=Lr/Cr。谐振电感电流和谐振电容Cr电压为:

ILr=Imin+VoZrsin(ωrt)(6)

VCr(t)=Vocos(ωrt)(7)

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:

IL(t)=Imin+ViLt(8)

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。

IL(t)=I(t4)+ViLt, ILr=ILr(t3)cos(ωat)(9)

ωa=1LrCr2, Za=LrCr2(10)

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:

VCr2(t)=ZaILr(t3)sin(ωat)(11)

VCr2(t5)=ZaILr, VCr2(t6)=0(12)

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。

IL(t)=IL(t6)+ViLt(13)

ILr(t)=-IL(t3)(14)

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。

ILr=IL(t7)-[IL(t7)+ILr(t3)]cos(ωrt)(15)

Zr[IL(t7)+ILr(t3)]>Vo(16)

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:

IL(t)=IL(t7)-Vo-ViLt(17)

ILr=-ILr(t3)+VoLrt(18)

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:

TDelay≥IiLrV0+π2LrCr(19)

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=20 μH,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。

图4 主、辅助开关管仿真波形图

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。

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