劉長清 ，王維俊 ，卓祖訊 ，田元軍

(1.解放軍后勤工程學(xué)院 后勤信息工程系，重慶 401331；2.長虹電源廠，四川 綿陽 621000)

直流開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于通信、計算機、工業(yè)儀器儀表、醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域。目前直流開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著高效率、高頻化、集成化、輕型化、綠色化的方向發(fā)展[1]。Boost變換器以其結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于中小功率升壓場合[2-4]。由于開關(guān)器件的開關(guān)損耗與頻率成正比[5]，在硬開關(guān)條件下提高開關(guān)頻率，使電源輕型化的過程中，變換器的開關(guān)器件損耗增加，感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通電流尖峰隨之增大，電磁干擾(EMI)也會加重。而軟開關(guān)技術(shù)是解決這一矛盾的有效方法，所謂軟開關(guān)技術(shù)實際是利用電感與電容諧振，使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦波或準(zhǔn)正弦波規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零[6-7]。

Boost電路是一種典型的DC/DC變換電路拓?fù)?。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出電壓較低[8]，在實際應(yīng)用中必須進(jìn)行升壓，以滿足后級逆變器的需要。為了提高變換器的變換效率、降低損耗，對傳統(tǒng)的Boost變換器進(jìn)行了改進(jìn)。本文中的軟開關(guān)Boost變換器，通過采用輔助開關(guān)管和諧振電路，實現(xiàn)了主開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)。相比其他的軟開關(guān)變換器，在同樣的控制頻率下，既減小了開關(guān)損耗，又提高了變換效率。Saber是美國Analogy公司開發(fā)的功能強大的系統(tǒng)仿真軟件，它具有強大的混合信號分析功能。本文詳細(xì)分析了這種變換器的工作原理、實現(xiàn)軟開關(guān)的條件并通過Saber進(jìn)行仿真實驗驗證。

1 ZVS PWM Boost電路結(jié)構(gòu)

直流電源Uin、輸入濾波電感Lf、主開關(guān)管M1、二極管D1、輸出濾波電容Cf和負(fù)載R構(gòu)成基本的Boost電路拓?fù)?，如圖1所示。 輔助開關(guān)管M2，二極管D2、D3，諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成有源軟開關(guān)環(huán)節(jié)。

開通時，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開關(guān)管M1的開通電流上升率di/dt，使得M1和D1具有ZVON環(huán)境，可有效減少開關(guān)損耗。在關(guān)斷時，與M1并聯(lián)的電容Cr可以有效抑制主開關(guān)管關(guān)斷時的電壓上升率du/dt，為M1和D1營造ZVOFF環(huán)境，可有效減少關(guān)斷損耗。二極管D2、D3起到續(xù)流和換流的作用。

2 電路工作過程分析

對Boost電路做如下分析，假設(shè)：

(1)輸入濾波電感Lf足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)電流近似為恒值id=Iin，與輸入電源Uin一起構(gòu)成等效恒流源；

(2)輸出濾波電容Cf足夠大，與負(fù)載R一起等效為恒值電壓源；

(3)除主、輔開關(guān)管和二極管以外，其余元件均具有理想特性。

電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，整個開關(guān)周期可以分為8個工作狀態(tài)，在一個周期內(nèi)各階段等效電路如圖2所示，各圖中粗線表示實際的電流路徑。各階段分述如下：

狀態(tài)1(t0～t1)：t0時刻之前，主開關(guān)管M1和輔助開關(guān)管M2已關(guān)斷，電路處于D1穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。在t0時刻，輔助開關(guān)管M2導(dǎo)通，二極管D1在反向恢復(fù)電流的作用下仍然導(dǎo)通，諧振電容被嵌位，諧振電感電流線性上升，在t1時刻iD1與iLr完成線性換流，D1完成反向恢復(fù)。在該階段D1具有ZCZVOFF環(huán)境。此時有：

狀態(tài)2(t1～t2)：t2時刻D1關(guān)斷 ，Cr的嵌位作用消失 ，在Cr、Lr諧振作用下iLr繼續(xù)上升，能量從Cr向Lr傳遞。 此時有：

狀態(tài)3(t2～t3)：Cr繼續(xù)放電，在諧振作用下其端壓方向使D3導(dǎo)通，諧振電感電流達(dá)到最大值，ULr被嵌位為零。

狀態(tài)4(t3～t4)：輔助開關(guān)管截止，為維持iLr連續(xù)，Lr端壓瞬時反向并使D2導(dǎo)通，iLr迅速線性下降，致使D3具有ZCZVOFF環(huán)境。在M2截止瞬間，由于D3的反向恢復(fù)作用使得M1具有ZVON環(huán)境，iM1迅速線性上升。 在t4時刻，D1與M1之間的換流結(jié)束。此時有：

狀態(tài)5(t4～t5)：這一階段M1穩(wěn)定導(dǎo)通，有iM1=Iin，使得iLr為零，D2具有ZCOFF。負(fù)載電流由輸出濾波電容釋放能量維持。

狀態(tài)6(t5～t6)： 主開關(guān)管M1關(guān)斷，iM1迅速向iCr線性換流，此時將對諧振電容開始充電，由于Cr較大且換流時間很短，可近似認(rèn)為M1具有ZVOFF。

狀態(tài)7(t6～t7)：在iCr=Iin極短的恒流充電時間內(nèi)，UM1迅速線性上升，UD1迅速線性下降， 當(dāng)UD1=0時，D1具有ZVON，UM1被嵌位為U0，iCr瞬間全部轉(zhuǎn)入iD1中，iM1向iD1的換流過程完成。

狀態(tài)8(t7～t8)：iM1與iD1的換流過程完成之后，進(jìn)入D1穩(wěn)定導(dǎo)通階段，電路處于普通PWM控制方式下主開關(guān)管關(guān)斷時的工作狀態(tài)，能量由輸入直流源Uin向負(fù)載傳遞，至此一個開關(guān)周期結(jié)束，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個周期的輔助開關(guān)管M1開通，如圖2所示。此時有：

3 軟開關(guān)工作條件

軟開關(guān)環(huán)節(jié)的正常工作，需要確保在一個開關(guān)周期內(nèi)所吸收的能量能夠完全轉(zhuǎn)移到負(fù)載中去。根據(jù)式(1)～式(5)及初始條件，iLr與iD1的換流時間可以由式(9)表示，諧振時間由式(10)表示。對本文中所述的電路，需要在M1開通前使得UM1降為零，為此需要輔助開關(guān)管M2的觸發(fā)信號上升沿超前于主開關(guān)管M1觸發(fā)信號上升沿的時間T(即延遲時間)大于換流時間t′和諧振時間t″之和，其關(guān)系表示為：

4 主要參數(shù)設(shè)計

ZVS PWM Boost電路的設(shè)計指標(biāo)為：Uin=30 V，Uout=60 V，負(fù)載R=200 Ω，輸入電流紋波＜5%，輸出電壓紋波為1%，fs=10 kHz，占空比D=0.5。

4.1 輸入濾波電感和輸出濾波電容的選取

輸入濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf應(yīng)該分別滿足輸入電流紋波和輸出電壓紋波的要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中的公式可以分別求出Lf和Cf：

得Lf=100 mH

得Cf≥25 μF，實際中取為Cf=30 μF。

4.2 諧振電感Lr和諧振電容Cr的選取

諧振電感Lr的主要作用是保證二極管D1軟關(guān)斷，降低其反向恢復(fù)電流引起的損耗，同時起到抑制輔助開關(guān)管M2的電流上升率，從而降低其開關(guān)損耗。因此，電路中Lr的實際值是根據(jù)二極管電流的反向恢復(fù)時間trr來確定[10]。一般按式(12)取3倍的反向恢復(fù)時間計算諧振電感Lr的值[11]。本文的快速恢復(fù)二極管選用MUR460，取trr=60 ns，得Lr=18 μH。

諧振電容Cr的主要作用是限制主開關(guān)管M1的電壓上升率，同時降低開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰值，以保護開關(guān)管正常工作。實際的諧振電感Cr值是主開關(guān)管的寄生電容值和外加電容值之和。由于較大的諧振電容Cr將在主開關(guān)管開通時加大損耗，難以實現(xiàn)零電壓開通。因此，實際中的諧振電容值一般很小，本文中取諧振電容Cr=1 nF高頻陶瓷電容。

諧振頻率fr一般取開關(guān)頻率fs的5～10倍。若過高，諧振電流峰值太大；若過低，主回路的占空比利用率低，會造成輸入電流的畸變和輸出電壓的不穩(wěn)。所以，在滿足諧振頻率的要求下，根據(jù)得出的諧振電感值和諧振電容值，可以計算出延遲時間T=389 ns。

5 仿真試驗及結(jié)果分析

為了驗證以上ZVZCS全橋變換器工作原理及上述分析的正確性，本研究對ZVS PWM Boost電路進(jìn)行了仿真設(shè)計。仿真軟件使用Saber，在Saber/Sketch環(huán)境下建立仿真模型。根據(jù)分析計算出的參數(shù)結(jié)果選擇主要仿真器件為：主、輔開關(guān)管IRF150，D1為MUR460，D2、D3為MUR1540。

圖3 M1在硬、軟開關(guān)條件下的開通和關(guān)斷波形

仿真結(jié)果分別為圖3、圖4、圖5所示。圖3為主開關(guān)管在硬、軟開關(guān)條件的開通、關(guān)斷的電壓、電流波形圖。圖4為續(xù)流二極管D1在硬、軟開關(guān)條件的電壓、電流波形圖。圖5為在硬軟開關(guān)條件下輸出電壓、電流波形圖。從仿真波形圖形可以看出，由于諧振環(huán)節(jié)的作用，主開關(guān)管M1和續(xù)流二極管D1都實現(xiàn)了軟開關(guān)，有效降低了開關(guān)損耗。同時，使得輸出電壓、電流均值增大，提高了變換器工作效率。

圖4 D1在硬、軟開關(guān)條件下的開通和關(guān)斷波形

圖5 硬、軟開關(guān)條件下的輸出電壓、電流波形

從理論分析和仿真結(jié)果可以看出，由于諧振電路、ZVS PWM Boost電路可以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，并使續(xù)流二極管具有軟開關(guān)環(huán)境，從而有效減少了開關(guān)損耗，在一定程度上抑制了噪聲。變換效率明顯提高，節(jié)能效果明顯，且開關(guān)頻率固定、易于實現(xiàn)控制，更適合于中小功率變換器。

[1]吳忠強，王志君.DC/DC變換器的一種無源控制方案[J].電機與控制學(xué)報，2008，12(2)：147-150.

[2]SANTIE， MONTI A， Li Donghong， et al.Synergetic control for DC/DC Boost converter：Implementation Options[J].IEEE Trans.on Industry Applications， 2003， 39(6)：1803-1813.

[3]史立生，趙振東，陳麗敏.升壓式ZV T2PWM 軟開關(guān)變換技術(shù)研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，1998，25(3)：93-97.

[4]CH M H.Review of Power Factor Correction Techniques[C].IPEMC’97，1997.

[5]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[6]周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[7]HUAN G， Liu Chingshan， Jiang Yimin， et al.Novel zerotransition PWM converters[J]，IEEE Transactions on Power Electronics， 1994，9(2)：213～219.

[8]HEIDECK G， PURMANN M， STYCZYNSKIZ.Multi channel voltage control for fuel cells[J].Journal of Power Sources， 2005， 14：594-597.

[9]SHEPHERD W，Li Zhang.電力變流器電路[M].沈經(jīng)，張正南譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[10]曹建安，王兆安.UC3855的應(yīng)用與ZVT PFC電路的設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2000，12(6)：49-51.

[11]黃俊來.一種零電壓轉(zhuǎn)換有源功率因數(shù)校正電路的研究[J].通信電源技術(shù)，2006，23(6)：10-12.