一种运用软开关的Boost电路

skeyy Post at 2007/6/22 22:22:00

1 引 言
     采 用 硬 开 关 工 作 方 式 的 Boost电 路 , 在 开 关 频 率 很 高 时 , 其 开 关 损 耗 增 大 , 电 源 效 率 降 低 。
     为 了 提 高 开 关 电 源 的 频 率 和 效 率 , 必 须 减 小 开 关 损 耗 。 本 文 提 出 了 一 种 运 用 软 开 关 技 术 的 Boost电 路 , 该 电 路 实 现 简 便 , 开 关 频 率 恒 定 , 控 制 简 单 。 通 过 对 该 电 路 工 作 原 理 的 分 析 , 以 及 仿 真 及 实 验 的 结 果 , 证 明 该 电 路 具 有 良 好 的 减 少 开 关 损 耗 及 提 高 电 源 效 率 的 作 用 。
2 主 电 路 拓 扑 及 工 作 原 理 分 析
     该 电 路 的 拓 扑 如 图 1所 示 。 从 图 中 可 以 看 出 , 它 是 由 传 统 的 Boost电 路 与 由 D2、 D3、 Lr、 Cr组 成 的 谐 振 电 路 连 接 而 成 的 。
     该 电 路 工 作 过 程 如 图 2所 示 。 为 了 讨 论 的 方 便 , 我 们 假 定 L1中 的 电 流 和 Cf中 的 电 压 在 一 个 开 关 周 期 内 保 持 不 变 。 电 路 工 作 波 形 如 图 3所 示 。

     1) 第 一 阶 段 [t0- t1]
     t0时 刻 二 极 管 D1导 通 , 能 量 由 电 源 向 负 载 输 送 。
     2) 第 二 阶 段 [t1- t2]
     S1在 ZCS的 状 态 下 开 通 , t2时 刻 Lr中 的 电 流 线 性 下 降 到 零 。 由 于 D1保 持 导 通 , Cr的 电 压 保 持 在 Vo。
     3) 第 三 阶 段 [t2- t3]
     t2时 刻 D1截 至 , 谐 振 开 始 , D2导 通 , 电 容 Cr向 Lr充 电 , Cr上 的 电 压 由 Vo变 到 - Vi。
     4) 第 四 阶 段 [t3- t4]
     t3时 刻 D3导 通 , Cr中 的 电 压 与 输 入 电 压 相 等 。 在 这 个 阶 段 中 , Lr中 的 电 流 线 性 减 小 到 零 。
     5) 第 五 阶 段 [t4- t5]
     t4时 刻 Lr中 的 电 流 变 为 0, D2、 D3截 至 。
     6) 第 六 阶 段 [t5- t6]
     t5时 刻 S1在 ZVS的 状 态 下 断 开 , D3为 电 流 ii提 供 一 条 通 路 , 电 容 线 性 放 电 。
     7) 第 七 阶 段 [t6- t7]
     t6时 刻 电 容 Cr上 的 电 压 变 为 ( Vo- Vi) 时 , D1导 通 。 在 此 过 程 中 , Lr和 Cr又 有 一 次 谐 振 , 直 至 VCr变 为 Vo。
     8) 第 八 阶 段 [t7- t8]
     t7时 刻 VCr=Vo时 , D2导 通 , Lr中 的 电 流 线 性 上 升 , 直 至 电 流 变 为 Ii。
     该 阶 段 结 束 后 , 便 开 始 , 下 一 个 周 期 。
     从 图 3中 可 以 看 出 , 电 路 是 工 作 在 软 开 关 状 态 下 的 。

3 电 源 变 换 范 围 的 讨 论
     为 了 便 于 对 电 路 电 压 增 益 进 行 定 量 的 分 析 , 我 们 假 定 所 有 的 元 器 件 都 是 理 想 的 。 首 先 , 我 们 定 义

     从 式 ( 4) 可 以 看 出 电 路 的 静 态 增 益 是 由 占 空 比 (D)、 谐 振 频 率 ω 0、 开 关 周 期 T以 及 α 决 定 的 。 其 关系 如 图 4所 示 。

     图 5给 出 了 Boost电 路 工 作 的 3个 区 域 。 在 区 域 3,电 路 工 作 在 硬 开 关 状 态 ,其 它 两 个 区 域 工 作 在 软 开 关 状 态 ,在 第 2、 3区 域 , t8时 刻 时 Lr的 电 流 变 为 Ii, 这 会 阻 止 Cr电 压 变 为 Vo, 但 尽 管 如 此 , 电 源 还 是 工 作 于 区 域 2。

4 仿 真 及 实 验 结 果
     为 了 验 证 该 电 路 的 可 行 性 , 对 该 电 路 进 行 了 仿 真 , 仿 真 结 果 如 图 6所 示 。 仿 真 中 所 选 各 元 器 件 的 参 数 为 :

     开 关 管 选 IRF740
     实 验 结 果 如 图 7所 示 。 实 验 所 选 参 数 与 仿 真 参 数 一 致 。 软 硬 开 关 效 率 比 较 如 图 8所 示 。

5 结 语
     本 文 提 出 的 这 种 运 用 软 开 关 技 术 的 Boost电 路 , 从 仿 真 波 形 和 实 验 结 果 来 看 , 该 电 路 效 率 较 高 , 最 大 可 达 96% , 因 此 对 于 硬 开 关 电 路 而 言 , 该 电 路 对 于 减 少 开 关 损 耗 , 提 高 电 源 效 率 具 有 一 定 的 积 极 意 义 , 但 同 时 , 开 关 过 程 中 开 关 两 端 的 电 压 振 荡 与 电 流 过 流 也 值 得 做 进 一 步 研 究 。

参 考 文 献
[1] 阮 新 波 .直 流 开 关 电 源 的 软 开 关 技 术 [M].北 京 : 科 学 出版 社 . 2000.
[2] Vilela M.S., Coelho E.A.A., Vieira J.B., Freitas L.C.,Farias V.J. PWM Soft Switching Converters Using a Single Active Switch[C]. IEEE- APEC'96 record: 299- 304
[3] M.VILELA, V.FARIAS, E.G.SILVA. A Buck PWMSoft Switching Converter Using a Single Active Switch[C]. IEEJ- IPEC'95 record: 956- 961.


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