一种新型无源无损软开关Boost变换器

　　1前言

　　开关电源目前存在五个挑战性的问题，能否更加小型化就是其中之一。使开关电源小型化的重要途径是提高开关频率。高频化能使变压器和电感等磁性元件以及电容体积和重量大为减少，从而提高变换器的功率密度。但是提高开关频率的同时也增加了开关损耗，并使电磁干扰更加严重。采用软开关技术可以降低开关损耗，使开关电源可以在低损耗情况下实现高频运行。其实现方法可分为有源和无源软开关技术。有源软开关技术在原有电路上附加有源器件（如开关），价格比较昂贵，工作时还要增加控制电路以对附加开关进行控制，电路复杂，可靠性比较差。相比之下，无源软开关电路简单，可靠性高，价格便宜。这些优点使得无源软开关近几年倍受青睐。对于PWM变换器，无源软开关通过降低有源开关的di/dt和dv/dt来实现零电流导通和/或零电压关断，以减少开关损耗。文献[1]对无源软开关技术进行了总结，并提出了无源无损软开关PWM变换器合成方法。根据这种方法，可以合成多种性能良好的软开关PWM变换器。本文对其中的一种合成新型软开关Boost变换器的工作原理及参数选择进行了分析，给出理论波形和仿真波形，并对其进行分析。

　　2工作原理

　　这种新型无源软开关变换器在Boost基本拓扑基础上附加了一个子电路，如图1虚框中所示。

图1新型无源无损软开关Boost变换器

　　子电路包括一个电感Lr，两个电容Cs、Cr，三个二极管D1、D2和D3。Lr提供主开关零电流开通条件，限制二极管D的反向恢复电流。电容Cs提供开关零电压关断条件。电容Cr为电感Lr能量恢复提供能量。这种变换器有七种运行模态。假设各种元器件为理想元器件，且Cs<Cr。下面对其进行分析。

　　（1）t<t0

　　开关S处于关断状态，此时vcs=VO，vcr=0，iLr=iin。简化电路如图2(a)所示，波形图如图3所示。

　　（2）t0～t1

　　从t0开始，开关S导通，电流iLr线性下降，简化电路如图2(b)所示。t=t1时，电流iLr减少到零，二极管D关断，波形图如图3所示。这段时间为：t0－1=t1－t0=（1）

　　（3）t1～t2

　　从t1开始，Cs开始经D2，Cr、Lr和开关S放电，vcr从零上升，电流iLr从零反方向增加，简化电路如图2(c)所示，波形图如图3所示。在此过程中，电流iLr、电容电压vcs和电容电压vcr由下面公式决定。iLr=－sin(ωt)（2）vcr=〔1－cos(ωt)〕（3）vcs=VO＋〔cos(ωt)－1〕（4）

　　t=t2时，Cs放电过程结束，vcs=0，波形图如图3。电容电压vcs从最大值降到零的时间ts由式（5）决定。ts=arccos（5）

　　（4）t2～t3

　　从t2开始，由于vcs=0，D1导通，电感Lr和电容Cr发生谐振，电感电流iL流经D1和D2，向Cr充电。电容电压vcr继续上升，简化电路如图2(d)所示。t=t3时，vcr达到最大值VCrmax，电感电流iLr降到零，波形图如图3所示。这段时间为：

　　t2－3=t3－t2=Tr(6)式中：Tr=2π为谐振周期。

　　（5）t3～t4

　　从t3开始，由于iLr=0，D1和D2关断，vcr保持在最大值VCrmax。变换器工作在PWM状态，且iL=is，简化电路如图2(e)所示，波形图如图3所示。t=t4时，开关S关断。

　　（6）t4～t5

　　从t4开始，由于开关S关断，电源Vi一路经L，D1向Cs充电，vcs从零开始上升；另一路则经L，Lr，Cr，D3向负载供电，同时电容Cr放电，vcr下降，iLr上升，简化电路如图2(f)所示。t=t5时，vcs达到VO。波形图如图3所示。

　　（7）t5～t6

　　从t5开始，vcs被钳在VO，即VCsmax=VO；电源继续经L，Lr，Cr，D3向负载供电，电容Cr继续放电。t=t6时，电容电压vcr降到零，同时电感电流iLr上升到Iin，iLr=Iin，简化电路如图2(g)所示，波形图如图3所示。

图2新型无源无损软开关Boost变换器的工作模态