摘要:提出了一種Boost電路軟開關(guān)實現(xiàn)方法,即同步整流加上電感電流反向.根據(jù)兩個開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的條件不同,提出了強管和弱管的概念,給出了滿足軟開關(guān)條件的設(shè)計方法.一個24V輸入,40V/2.5A輸出,開關(guān)頻率為200kHz的同步Boost變換器樣機進一步驗證了上述方法的正確性,其滿載效率達到了96.9%
關(guān)鍵詞:升壓電路;軟開關(guān);同步整流
引言
輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標.而提高開關(guān)頻率可以減小電感,電容等元件的體積.但是,開關(guān)頻率提高的瓶頸是器件的開關(guān)損耗,于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運而生.一般,要實現(xiàn)比較理想的軟開關(guān)效果,都需要有一個或一個以上的輔助開關(guān)為主開關(guān)創(chuàng)造軟開關(guān)的條件,同時希望輔助開關(guān)本身也能實現(xiàn)軟開關(guān).
Boost電路作為一種最基本的DC/DC拓撲而廣泛應(yīng)用于各種電源產(chǎn)品中.由于Boost電路只包含一個開關(guān),所以,要實現(xiàn)軟開關(guān)往往要附加很多有源或無源的額外電路,增加了變換器的成本,降低了變換器的可靠性.
Boost電路除了有一個開關(guān)管外還有一個二極管.在較低壓輸出的場合,本身就希望用一個MOSFET來替換二極管(同步整流),從而獲得比較高的效率.如果能利用這個同步開關(guān)作為主開關(guān)的輔助管,來創(chuàng)造軟開關(guān)條件,同時本身又能實現(xiàn)軟開關(guān),那將是一個比較好的方案.
本文提出了一種Boost電路實現(xiàn)軟開關(guān)的方法.該方案適用于輸出電壓較低的場合.
1 工作原理
圖1所示的是具有兩個開關(guān)管的同步Boost電路.其兩個開關(guān)互補導(dǎo)通,中間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通,如圖2所示.通常設(shè)計中電感上的電流為一個方向,如圖2第5個波形所示.考慮到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時間,一個周期可以分為5個階段,各個階段的等效電路如圖3所示.下面簡單描述了電感電流不改變方向的同步Boost電路的工作原理.在這種設(shè)計下,S2可以實現(xiàn)軟開關(guān),但是S1只能工作在硬開關(guān)狀態(tài).
1)階段1〔t0～t1〕該階段,S1導(dǎo)通,L上承受輸入電壓,L上的電流線性增加.在t1時刻,S1關(guān)斷,該階段結(jié)束.
2)階段2〔t1～t2〕S1關(guān)斷后,電感電流對S1的結(jié)電容進行充電,使S2的結(jié)電容進行放電,S2的漏源電壓可以近似認為線性下降,直到下降到零,該階段結(jié)束.
3)階段3〔t2～t3〕當S2的漏源電壓下降到零之后,S2的寄生二極管就導(dǎo)通,將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài),也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件.
4)階段4〔t3～t4〕S2的門極變?yōu)楦唠娖?S2零電壓開通.電感L上的電流又流過S2.L上承受輸出電壓和輸入電壓之差,電流線性減小,直到S2關(guān)斷,該階段結(jié)束.
5)階段5〔t4～t5〕此時電感L上的電流方向仍然為正,所以該電流只能轉(zhuǎn)移到S2的寄生二極管上,而無法對S1的結(jié)電容進行放電.因此,S1是工作在硬開關(guān)狀態(tài)的.
接著S1導(dǎo)通,進入下一個周期.從以上的分析可以看到,S2實現(xiàn)了軟開關(guān),但是S1并沒有實現(xiàn)軟開關(guān).其原因是S2關(guān)斷后,電感上的電流方向是正的,無法使S1的結(jié)電容進行放電.但是,如果將L設(shè)計得足夠小,讓電感電流在S2關(guān)斷時為負的,如圖4所示,就可以對S1的結(jié)電容進行放電而實現(xiàn)S1的軟開關(guān)了.
在這種情況下,一個周期可以分為6個階段,各個階段的等效電路如圖5所示.其工作原理描述如下.
1)階段1〔t0～t1〕該階段,S1導(dǎo)通,L上承受輸入電壓,L上的電流正向線性增加,從負值變?yōu)檎?在t1時刻,S1關(guān)斷,該階段結(jié)束.
2)階段2〔t1～t2〕S1關(guān)斷后,電感電流為正,對S1的結(jié)電容進行充電,使S2的結(jié)電容放電,S2的漏源電壓可以近似認為線性下降.直到S2的漏源電壓下降到零,該階段結(jié)束.
3)階段3〔t2～t3〕當S2的漏源電壓下降到零之后,S2的寄生二極管就導(dǎo)通,將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài),也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件.
4)階段4〔t3～t4〕S2的門極變?yōu)楦唠娖?S2零電壓開通.電感L上的電流又流過S2.L上承受輸出電壓和輸入電壓之差,電流線性 小,直到變?yōu)樨撝?然后S2關(guān)斷,該階段結(jié)束.
5)階段5〔t4～t5〕此時電感L上的電流方向為負,正好可以使S1的結(jié)電容進行放電,對S2的結(jié)電容進行充電.S1的漏源電壓可以近似認為線性下降.直到S1的漏源電壓下降到零,該階段結(jié)束.
6)階段6〔t5～t6〕當S1的漏源電壓下降到零之后,S1的寄生二極管就導(dǎo)通,將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài),也就是為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件.
接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通,進入下一個周期.可以看到,在這種方案下,兩個開關(guān)S1和S2都可以實現(xiàn)軟開關(guān).
2 軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計
以上用同步整流加電感電流反向的辦法來實現(xiàn)Boost電路的軟開關(guān),其中兩個開關(guān)實現(xiàn)軟開關(guān)的難易程度并不相同.電感電流的峰峰值可以表示為
ΔI=(VinDT)/L (1)
式中:D為占空比;
T為開關(guān)周期.
所以,電感上電流的最大值和最小值可以表示為
Imax=ΔI/2+Io (2)
Imin=ΔI/2-Io (3)
式中:Io為輸出電流.
將式(1)代入式(2)和式(3)可得
Imax=(VinDT)/2L+Io (4)
Imin=(VinDT)/2L-Io (5)
從上面的原理分析中可以看到S1的軟開關(guān)條件是由Imin對S2的結(jié)電容充電,使S1的結(jié)電容放電實現(xiàn)的;而S2的軟開關(guān)條件是由Imax對S1的結(jié)電容充電,使S2的結(jié)電容放電實現(xiàn)的.另外,通常滿載情況下|Imax||Imin|.所以,S1和S2的軟開關(guān)實現(xiàn)難易程度也不同,S1要比S2難得多.這里將S1稱為弱管,S2稱為強管.
強管S2的軟開關(guān)極限條件為L和S1的結(jié)電容C1和S2的結(jié)電容C2諧振,能讓C2上電壓諧振到零的條件,可表示為式(6).
將式(4)代入式(6)可得
實際上,式(7)非常容易滿足,而死區(qū)時間也不可能非常大,因此,可以近似認為在死區(qū)時間內(nèi)電感L上的電流保持不變,即為一個恒流源在對S2的結(jié)電容充電,使S1的結(jié)電容放電.在這種情況下的ZVS條件稱為寬裕條件,表達式為式(8).
(C2+C1)Vo≤(VinDT/2L+Io)tdead2 (8)
式中:tdead2為S2開通前的死區(qū)時間.
同理,弱管S1的軟開關(guān)寬裕條件為
(C1+C2)Vo≤(VinDT/2L-Io)tdead1 (9)
式中:tdead1為S1開通前的死區(qū)時間.
在實際電路的設(shè)計中,強管的軟開關(guān)條件非常容易實現(xiàn),所以,關(guān)鍵是設(shè)計弱管的軟開關(guān)條件.首先確定可以承受的最大死區(qū)時間,然后根據(jù)式(9)推算出電感量L.因為,在能實現(xiàn)軟開關(guān)的前提下,L不宜太小,以免造成開關(guān)管上過大的電流有效值,從而使得開關(guān)的導(dǎo)通損耗過大.
3 實驗結(jié)果
一個開關(guān)頻率為200kHz,功率為100W的電感電流反向的同步Boost變換器進一步驗證了上述軟開關(guān)實現(xiàn)方法的正確性.
該變換器的規(guī)格和主要參數(shù)如下:
輸入電壓Vin24V
輸出電壓Vo40V
輸出電流Io0～2.5A
工作頻率f200kHz
主開關(guān)S1及S2IRFZ44
電感L4.5μH
圖6(a),圖6(b)及圖6(c)是滿載(2.5A)時的實驗波形.從圖6(a)可以看到電感L上的電流在DT或(1-D)T時段里都會反向,也就是創(chuàng)造了S1軟開關(guān)的條件.從圖6(b)及圖6(c)可以看到兩個開關(guān)S1和S2都實現(xiàn)了ZVS.但是從電壓vds的下降斜率來看S1比S2的ZVS條件要差,這就是強管和弱管的差異.
圖7給出了該變換器在不同負載電流下的轉(zhuǎn)換效率.最高效率達到了97.1%,滿載效率為96.9%.
4 結(jié)語
本文提出了一種Boost電路軟開關(guān)實現(xiàn)策略:同步整流加電感電流反向.在該方案下,兩個開關(guān)管根據(jù)軟開關(guān)條件的不同,分為強管和弱管.設(shè)計中要根據(jù)弱管的臨界軟開關(guān)條件來決定電感L的大小.因為實現(xiàn)了軟開關(guān),開關(guān)頻率可以設(shè)計得比較高.電感量可以設(shè)計得很小,所需的電感體積也可以比較小(通�？梢杂肐型磁芯).因此,這種方案適用于高功率密度,較低輸出電壓的場合.
(綜合電子論壇)
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