全软开关SEPIC变换器损耗分析

摘要：本文基于全软开关SEPIC直流开关变换器，着重分析其工作过程中功率开关管、续流二极管产生的各种损耗，最终得出结论，由于软开关的介入，可以将极大地减小开关电路中各元件产生的损耗，提高变换器的效率，有广泛的应用前景。

关键词：SEPIC变换器 软开关 损耗 效率

中图分类号：TN624文献标识码： A 文章编号：

Loss Analysis of An Soft Switching SEPIC Converter

SUN Xinfeng

（The Detachment of Warship Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

Abstract: Based on an soft-switching SEPIC DC-DC converter, the loss of the power switch and the freewheeling diode are analysised. Finally we can find out that thanks to adding the soft switch part the loss of the electronic elements are right smart reduced, the efficiency is increased, and it has extensive of applied foreground.

Keywords：SEPIC converter, soft-switching, loss, efficiency

1引言

关于直流变换器在损耗问题上的研究，国内外文献多建立在对电路原理的数学仿真上[1-3]，而对其损耗机理的定量分析和计算尚不多见。

由直流变换器的工作原理可知，电路中功率MOSFET、续流二极管的损耗主要由器件的物理特性决定，限制了电路的工作频率的进一步提高，特别是在高于300kHz时，其损耗已经很大，由于损耗引起温升，降低了可靠性。所以在大功率电源中，通过使用新器件，如大功率容量、低通态损耗的IGBT，超快速恢复二极管（UFRD）等，它们可以减小部分开关损耗，但还是受到限制。而将软开关技术应用于直流变换器，可以极大地减小开关电路中由于开关管动作而产生的损耗部分，提高变换器的效率。

本文基于全软开关 SEPIC电路，通过合理化假设，建立期间的损耗数学模型，对其进行定量分析和计算,得到了预期的结果。

2直流变换器损耗分析机理

在直流开关电路中，主要的热耗元件是功率开关管、续流二极管以及输入输出电感，在这里对上述元件的损耗进行分析和计算[51,52]。

2.1 功率开关器件(MOSFET)的损耗分析

在该变换器中，采用功率MOSFET开关管，其损耗主要为通态损耗和开关损耗。

（1）通态损耗

它是由导通电阻产生的功耗，可表示为：

式中，——导通电流有效值；——开关管导通占空比。

（2）开关损耗

它是由开通损耗、关断损耗和容性开通损耗组成。其中开通损耗、关断损耗是由开关管开关时产生的，产生的原因主要是：在开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行，出现电压电流波形交叠，产生了开关损耗，并随开关频率的增加而增大。

图1 开关时刻理想电压、电流波形

将开关管电流和电压按线性处理，如图1所示的理想开关状态波形，则开通损耗就是在开关管开通时间（0~）内所承受的电压和电流乘积的积分，

MOSFET工艺同其它工艺器件相比，其管芯所允许的电流密度较小，大电流器件的管芯面积要求就较大，因此漏源极之间的寄生电容较大，开关开通时，其储藏的能量耗散在沟道上，形成容性开通损耗。容性开通的损耗为：

2.2 续流二极管(FRD)的损耗分析

在电路中，续流二极管经常使用快速恢复二极管（FRD），它具有正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。快速恢复二极管的损耗主要分为通态损耗和恢复损耗。

（1）通态损耗

通态损耗为：

式中，、——正向导通电压、电流；——导通占空比。

（2）恢复损耗

恢复损耗主要是由于二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，这个时间内它仍处于导通过程，造成反向电流和电压波形的叠加，产生损耗。由于二极管在关断时的恢复过程很多参数不易测量，可通过对其恢复过程合理化假设，对其恢复损耗进行估算，可以假设延迟时间与下降时间近似相等。按图2的理想恢复波形处理，这里假设反向恢复时间：。

图2 理想化的反向恢复过程

则其恢复损耗为：

(3.2.7)

式中，、——反向恢复电压、电流峰值；

、——电流、电压的上升率； ——变换器的工作频率。

3全软开关SEPIC变换器的损耗分析

根据如图3所示的全软开关SEPIC变换器的工作原理[6]，对工作时产生的损耗进行分析和计算。

图3全软开关SEPIC直流变换器

3.1 主开关管S的损耗分析

（1）通态损耗

式中，——导通电流有效值；

——主开关管S的通态电阻值；

——主开关管S导通占空比。

（2）开关损耗

因为主开关管式零电压零电流开关，所以开通、关断损耗和容性损耗为

，，

3.2 辅助开关管Sa的损耗分析

（1）通态损耗

式中，——导通电流有效值；

——主开关管Sa的通态电阻值；

——主开关管Sa导通占空比。

（2）开关损耗

因为辅助开关管式零电流开通，零电压零电流关断，所以有开通损耗

这里，，可见由于的存在，使降低。

（3）容性开通损耗

3.3 续流二极管VD(FRD)的损耗分析

在该型变换器中，续流二极管实现了零电压零电流关断，零电压开通。所以有

（1）通态损耗

其中，、——续流二极管的正向导通电压电流。

（2）恢复损耗

由于该二极管实现了零电压零电流关断，所以有。

3.4 谐振过程的导通损耗分析

忽略谐振电感的导通损耗，设辅助开关管Sa的通态电阻为，体二极管正向饱和压降分别为、，辅助二极管正向饱和压降为。

~：，Sa的通态损耗为

其中，

~：，Sa的通态损耗为

的通态损耗为

~：，Sa的通态损耗为

的通态损耗为

~：，Sa的通态损耗为