你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器的原理分析

發(fā)布時(shí)間:2012-01-05

中心議題:
  • 一種新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器
  • Boost變換器的工作原理
解決方案:
  • 元器件都是采用無源元器件
  • 有源和無源軟開關(guān)技術(shù)

1前言


開關(guān)電源目前存在五個(gè)挑戰(zhàn)性的問題,能否更加小型化就是其中之一。使開關(guān)電源小型化的重要途徑是提高開關(guān)頻率。高頻化能使變壓器和電感等磁性元件以及電容體積和重量大為減少,從而提高變換器的功率密度。但是提高開關(guān)頻率的同時(shí)也增加了開關(guān)損耗,并使電磁干擾更加嚴(yán)重。采用軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)損耗,使開關(guān)電源可以在低損耗情況下實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)方法可分為有源和無源軟開關(guān)技術(shù)。有源軟開關(guān)技術(shù)在原有電路上附加有源器件(如開關(guān)),價(jià)格比較昂貴,工作時(shí)還要增加控制電路以對(duì)附加開關(guān)進(jìn)行控制,電路復(fù)雜,可靠性比較差。相比之下,無源軟開關(guān)電路簡單,可靠性高,價(jià)格便宜。這些優(yōu)點(diǎn)使得無源軟開關(guān)近幾年倍受青睞。對(duì)于PWM變換器,無源軟開關(guān)通過降低有源開關(guān)的di/dt和dv/dt來實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和/或零電壓關(guān)斷,以減少開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[1]對(duì)無源軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),并提出了無源無損軟開關(guān)PWM變換器合成方法。根據(jù)這種方法,可以合成多種性能良好的軟開關(guān)PWM變換器。本文對(duì)其中的一種合成新型軟開關(guān)Boost變換器的工作原理及參數(shù)選擇進(jìn)行了分析,給出理論波形和仿真波形,并對(duì)其進(jìn)行分析。

2工作原理

這種新型無源軟開關(guān)變換器在Boost基本拓?fù)浠A(chǔ)上附加了一個(gè)子電路,如圖1虛框中所示。
圖1新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器

子電路包括一個(gè)電感Lr,兩個(gè)電容Cs、Cr,三個(gè)二極管D1、D2和D3。Lr提供主開關(guān)零電流開通條件,限制二極管D的反向恢復(fù)電流。電容Cs提供開關(guān)零電壓關(guān)斷條件。電容Cr為電感Lr能量恢復(fù)提供能量。這種變換器有七種運(yùn)行模態(tài)。假設(shè)各種元器件為理想元器件,且Cs<Cr。下面對(duì)其進(jìn)行分析。

(1)t<t0

開關(guān)S處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)vcs=VO,vcr=0,iLr=iin。簡化電路如圖2(a)所示,波形圖如圖3所示。

(2)t0~t1

從t0開始,開關(guān)S導(dǎo)通,電流iLr線性下降,簡化電路如圖2(b)所示。t=t1時(shí),電流iLr減少到零,二極管D關(guān)斷,波形圖如圖3所示。這段時(shí)間為:t0-1=t1-t0=(1)

(3)t1~t2

從t1開始,Cs開始經(jīng)D2,Cr、Lr和開關(guān)S放電,vcr從零上升,電流iLr從零反方向增加,簡化電路如圖2(c)所示,波形圖如圖3所示。在此過程中,電流iLr、電容電壓vcs和電容電壓vcr由下面公式?jīng)Q定。iLr=-sin(ωt)(2)vcr=〔1-cos(ωt)〕(3)vcs=VO+〔cos(ωt)-1〕(4)

t=t2時(shí),Cs放電過程結(jié)束,vcs=0,波形圖如圖3。電容電壓vcs從最大值降到零的時(shí)間ts由式(5)決定。ts=arccos(5)

(4)t2~t3

從t2開始,由于vcs=0,D1導(dǎo)通,電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振,電感電流iL流經(jīng)D1和D2,向Cr充電。電容電壓vcr繼續(xù)上升,簡化電路如圖2(d)所示。t=t3時(shí),vcr達(dá)到最大值VCrmax,電感電流iLr降到零,波形圖如圖3所示。這段時(shí)間為:

t2-3=t3-t2=Tr(6)式中:Tr=2π為諧振周期。

(5)t3~t4

從t3開始,由于iLr=0,D1和D2關(guān)斷,vcr保持在最大值VCrmax。變換器工作在PWM狀態(tài),且iL=is,簡化電路如圖2(e)所示,波形圖如圖3所示。t=t4時(shí),開關(guān)S關(guān)斷。

(6)t4~t5

從t4開始,由于開關(guān)S關(guān)斷,電源Vi一路經(jīng)L,D1向Cs充電,vcs從零開始上升;另一路則經(jīng)L,Lr,Cr,D3向負(fù)載供電,同時(shí)電容Cr放電,vcr下降,iLr上升,簡化電路如圖2(f)所示。t=t5時(shí),vcs達(dá)到VO。波形圖如圖3所示。
[page]
(7)t5~t6

從t5開始,vcs被鉗在VO,即VCsmax=VO;電源繼續(xù)經(jīng)L,Lr,Cr,D3向負(fù)載供電,電容Cr繼續(xù)放電。t=t6時(shí),電容電壓vcr降到零,同時(shí)電感電流iLr上升到Iin,iLr=Iin,簡化電路如圖2(g)所示,波形圖如圖3所示。
圖2新型無源無損軟開關(guān)Boost變換器的工作模態(tài)
 
圖3 Boost變換器各電流和電壓波形圖

(8)t6~t7

從t6開始,變換器重新工作在PWM狀態(tài),簡化電路如圖2(a)所示。t=t7時(shí),開關(guān)S導(dǎo)通,開始下一個(gè)周期的工作。

由上面各工作模態(tài)分析可知:當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí),由于iLr=Iin,電感電流不能突變,使得電流is從零開始上升;當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時(shí),由于vcs=0,電容電壓不能突變,把開關(guān)電壓vds鉗在零,當(dāng)電源Vi對(duì)Cs充電時(shí),開關(guān)電壓vds才開始上升,從而實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷,并且最大開關(guān)電壓Vdsmax被鉗在VO。也就是說,這種新型無源無損軟開關(guān)Boost交換器在沒有增加開關(guān)應(yīng)力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷。

3參數(shù)計(jì)算

附加子電路只給開關(guān)提供軟開關(guān)條件,因而其參數(shù)的設(shè)置條件是:保證附加子電路提供軟開關(guān)條件,但不影響原電路的工作。一般情況下,Cs的值小于10nF,而Cr的值是Cs的20倍以上。t1-2(也即ts,為Cs放電,vcs從VO降到零的時(shí)間)不宜太小,因?yàn)檫@段時(shí)間太小,開關(guān)電流上升的時(shí)間就短,di/dt將變大,使得EMI增大,也即電感Lr不宜太小。但是Lr也不宜過大,過大將使子電路的工作時(shí)間較長,增加了工作損耗,影響原電路的工作,并且也影響了電路零電流開通的條件。
[page]
4仿真結(jié)果


利用以上的電路原理,對(duì)一個(gè)帶有這種附加電路的Boost變換器進(jìn)行仿真。參數(shù)如下:Cr=400nF,Cs=10nF,L=200μH,C=40μF,R=50Ω,Vi=15V。在其他參數(shù)確定的情況下,可用Pspice中的參數(shù)掃描分析功能確定Lr的值。分析結(jié)果取Lr=50μH。仿真結(jié)果如圖4所示。
(a)開關(guān)S電壓和電流的波形
 
(b)附加電感Lr電流與開關(guān)控制信號(hào)的波形
 
(c)附加電容Cr電壓與開關(guān)控制信號(hào)的波形
圖4 Boost變換器各電流及電壓仿真波形

由圖4可知,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),開關(guān)電壓V(M1:d)(Vds)下降,由于電感Lr的作用,電流不能突變,使得開關(guān)電流is在開關(guān)電壓V(M1:d)(Vds)降到零后,才從零開始上升,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的零電流導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí),由于電容Cs的鉗壓作用,開關(guān)電壓從低電壓上升,基本實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。而電感電流iLr和電壓vcr波形與理論分析的是一致的。

5結(jié)論

而本文分析的電路附加電感Lr插在二極管D支路,電感在開關(guān)關(guān)斷時(shí)充電。由以上分析可知,兩個(gè)附加電路功能一樣,但在各個(gè)工作模態(tài)中對(duì)電路的作用卻不一樣。這種變換器外加元器件都是無源元器件,價(jià)格比較便宜,可靠性較強(qiáng),損耗低,只需用一個(gè)控制電路對(duì)主開關(guān)進(jìn)行控制,并且在不增加開關(guān)應(yīng)力的情況下實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷。
要采購開關(guān)么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉