一種新型的ZVS-PWM-MR Boost變換器

1．概 述

　　小型輕量化是目前開(kāi)關(guān)電源類(lèi)產(chǎn)品的追求目標，實(shí)現這一目標的主要手段是提高開(kāi)關(guān)頻率。然而開(kāi)關(guān)頻率的提高會(huì )帶來(lái)開(kāi)關(guān)損耗增加、嚴重的電磁干擾（EMI）等問(wèn)題，這些都限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現能很好的解決這些問(wèn)題，但是目前軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展還不夠完善，存在著(zhù)不少問(wèn)題，如在實(shí)現所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)、降低電壓和電流應力以及在較寬的輸入和負載范圍內實(shí)現軟開(kāi)關(guān)等方面還有待進(jìn)一步的發(fā)展[1,3]。

　　本文提出了一種Boost變換器的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現方法，它實(shí)現了所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，這不僅能降低開(kāi)關(guān)損耗，更能顯著(zhù)降低電磁干擾（EMI），同時(shí)它還具有和Boost硬開(kāi)關(guān)變換器相同的電壓、電流應力，且能在與Boost硬開(kāi)關(guān)變換器近似相同的輸入和負載調節范圍內實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。

2．工作原理

　　變換器的原理圖如圖1，其中D1、D2和C1、C2分別是開(kāi)關(guān)管S1和S2的寄生二極管和寄生電容，在傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器的基礎上增加了開(kāi)關(guān)管S2、二極管D3、D4和電感L ，它們與C1、C2共同構成了諧振網(wǎng)絡(luò )。

圖1 變換器電路原理圖
　　為便于分析，假定Lf和Cf足夠大，則輸入可等效為電流源，輸出等效為電壓源。

圖2 變換器主要工作波形

　　(a) 在t0之前，S1關(guān)斷，S2導通，電感L通過(guò)S2、D3續流，保持能量，等效電路圖如圖3（g）。在t0時(shí)刻，S2關(guān)斷，電感L上儲存的能量給C2充電，C2上電壓持續上升直至達到V0，此后D4自然導通，將Vc2鉗位至V0。此階段S2零電壓關(guān)斷，D4零電壓導通。

　　(b)在此階段，L繼續通過(guò)D4、負載和D3通路放電，至t2時(shí)刻電感電流降至零，D3和D4自然關(guān)斷。此階段D3和D4零電流關(guān)斷。在（a）、（b）階段輸入電流均全部流經(jīng)整流二極管Do。

　　(c)電感電流降至零以后L與C1、C2形成諧振，電感電流改變方向，這時(shí)通過(guò)整流二極管Do的電流將是輸入電流Ii和諧振電流IL的和，其峰值為IDomax＝Ii+Vo/Ze，其中。這是整個(gè)周期內唯一一次過(guò)沖，但由于寄生電容的值較小，通過(guò)適當的取值可使其遠小于L，這樣IDomax≈Ii，與傳統硬開(kāi)關(guān)變換器相應的值相同。

　　(d)通過(guò)前一階段的多諧振，將C1、C2上儲存的能量放掉，t3時(shí)刻C1、C2上電壓，也即是開(kāi)關(guān)管S1、S2漏源極間的電壓降至零，故此時(shí)可在ZVS條件下開(kāi)通S1和S2。由于L的存在，通過(guò)S1、S2的電流線(xiàn)升，故S1和S2開(kāi)通時(shí)也處于零電流狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)Do的電流線(xiàn)性下降，至t4時(shí)刻IL上升至I0，IDo下降至零，Do自然關(guān)斷。

　　(e)在此階段輸入電流全部流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S1、S2，這與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器中的升壓電感儲能階段類(lèi)似。PWM控制的實(shí)現也是通過(guò)調節此階段時(shí)間的長(cháng)短來(lái)實(shí)現的。

　　(f)在t5時(shí)刻關(guān)斷S1，則其寄生電容被充電，電壓線(xiàn)性上升，故S1是ZVS關(guān)斷。同時(shí)Do兩端的電壓線(xiàn)性下降，至t6時(shí)刻VC1上升至Vo，VDo下降降至零，則Do在ZVS條件下開(kāi)通。

　　(g)此階段與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器中的升壓電感向負載釋放能量階段類(lèi)似，輸入電流全部經(jīng)整流二極管Do流向負載側。與傳統硬開(kāi)關(guān)變換器不同的是，諧振電感L通過(guò)S2、D3形成續流通路而保持能量。至t7時(shí)刻S2關(guān)斷，完成一個(gè)循環(huán)周期。

3． 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現條件

　　1）時(shí)間條件

　　從上述工作原理的分析可很容易的得到實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的時(shí)間條件為：S2的關(guān)斷時(shí)間應滿(mǎn)足， S1的開(kāi)通時(shí)間應滿(mǎn)足。同時(shí)應注意到由于諧振電容的值很小，諧振階段在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中所占比例是很小的，在忽略諧振階段的情況下，該變換器的輸出-輸入調節比為，其中，這與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器是相同的，因此該變換器與傳統硬開(kāi)關(guān)Boost變換器具有相同的輸入與負載調節范圍。

　　2）能量條件

　　此變換器實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的能量條件是在[t0－t1]時(shí)間段結束時(shí)，應保證C2能充電至Vo。由于采用開(kāi)關(guān)管的寄生電容作為諧振電容，故對于某一特定的變換器，C1和C2的值是確定的，需要選擇的是諧振電感L的值。在[t0－t1]階段，有及初始條件

4．仿真驗證

　　為驗證此軟開(kāi)關(guān)變換器的工作情況，設計了一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，功率為50 W的Boost變換器，各開(kāi)關(guān)管的電壓、電流波形如圖4所示，可以看出，所有的開(kāi)關(guān)管都實(shí)現了軟開(kāi)關(guān)，因此波形都較為干凈，基本不存在開(kāi)關(guān)噪聲，這也意味著(zhù)較低的電磁干擾（EMI）。

5．結 論

　　本文提出了一種新型的ZVS-PWM Boost變換器，詳細分析了其工作原理，并進(jìn)行了驗證，結果表明它能實(shí)現所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，有效降低了電磁干擾，并具有較低的電壓、電流應力。


參考文獻

[1] B.P. Divakar and Ioinovici,A. PWM converter with low stress and zero capacitive turn-on losses. IEEE Trans on Aerospace and Electronic System,vol.33,No.3. pp. 913-920,July 1997.
[2] Yungtaek Jang and Milan M. Jovanovic. A new, soft-switched, high-power-factor Boost converter with IGBTs. IEEE Trans on Power Electronics,vol.17, No.4. pp. 469-476,July 2002.
[3] 阮新波，嚴仰光. 直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù). 北京：科學(xué)出版社