王少斌　蘇淑靖

摘? 要： 針對(duì)常規(guī)同步整流升壓變換器在高開關(guān)頻率下主開關(guān)管的寄生電容存儲(chǔ)電荷無(wú)法釋放和整流開關(guān)管體二極管反向恢復(fù)行為造成的變換器開關(guān)管的硬開關(guān)、高電磁干擾（EMI）等問(wèn)題，提出一種基于小耦合電感軟開關(guān)同步Boost變換器設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件以及變換器的工作過(guò)程，通過(guò)電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了寬負(fù)載范圍內(nèi)所有開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)，使變換器效率得到有效提高，電磁干擾也得到有效抑制，進(jìn)而驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞： 軟開關(guān); 同步變換器; 耦合電感; 電路參數(shù)設(shè)計(jì); 仿真實(shí)驗(yàn); 性能分析

中圖分類號(hào)： TN624?34; TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0057?04

Simulation and performance analysis of soft?switching synchronous

converter based on small coupling inductance

WANG Shaobin， SU Shujing

（National Key Laboratory of the Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In allusion to the hard switching and high electromagnetic interference （EMI） of switching tube of converter， which are caused by unable release of the parasitic capacitor storage charge of the main switch tube and the diode reverse recovery behavior of the rectifier switch body in the conventional synchronous rectifier boost converter at high switching frequency， a design method of soft?switching synchronous Boost converter based on small coupling inductance is proposed. The realization condition of soft switching and the working process of the converter are analyzed in detail. By means of the optimization design of the circuit parameter and the verification of the simulation experiment， the soft?switching of all switches and diodes is realized within wide load range， which has improved the converter′s efficiency effectively， suppressed EMI effectively， and verified the correctness of the theoretical analysis.

Keywords： soft switch; synchronous converter; coupling inductance; circuit parameter optimization; simulation experiment; performance analysis

0? 引? 言

作為最常見的DC?DC變換器之一，Boost變換器廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電源、太陽(yáng)能控制電路、功率因數(shù)校正（PFC）、光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。隨著能源日益緊張，綠色環(huán)保、節(jié)能減排成為如今乃至未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)全球所提倡的重要主題，高性能、高效率、高頻率已成為其研究和設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)[1?3]。同步整流Boost變換器使用通態(tài)電阻很低的功率開關(guān)管來(lái)取代傳統(tǒng)Boost變換器中的整流二極管，傳導(dǎo)損耗大大降低，變換器的效率得到提高。然而隨著開關(guān)頻率的提高，其體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題以及寄生電容存儲(chǔ)電荷無(wú)法釋放問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的開關(guān)損耗和低效率。因此，軟開關(guān)技術(shù)被提出用來(lái)減少開關(guān)損耗并提高效率[5]。

軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是采用輔助電路對(duì)變換器中特定的開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)充電或放電，當(dāng)開關(guān)管在開通或關(guān)斷時(shí)，其電壓或電流已經(jīng)變?yōu)榱慊蚪咏诹?，從而?shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。結(jié)合同步整流Boost變換器，文獻(xiàn)[2?7]采用了諧振、準(zhǔn)諧振和有源鉗位等的軟開關(guān)技術(shù)，通過(guò)引入開關(guān)管、電感、電容等器件，利用輔助電感、電容與主開關(guān)管的寄生電容或外加電容諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管零電壓、零電流導(dǎo)通，雖然可以減少電路開關(guān)損耗，但它會(huì)引起高電壓應(yīng)力的問(wèn)題。同時(shí)，由于增加了輔助器件，控制方法比基本Boost變換器更復(fù)雜，降低了電路的可靠性。在文獻(xiàn)[8?10]所提的同步Boost變換器中增加了耦合電感，以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管零電流導(dǎo)通、關(guān)斷，但是在輕載條件下效率依舊不是很高，并且還存在其他缺點(diǎn)，比如在文獻(xiàn)[8]所提出的ZVT?ZCT PWM DC?DC變換器中主開關(guān)由于諧振存在額外較高的電流應(yīng)力，文獻(xiàn)[9]中主開關(guān)和輔助開關(guān)均存在額外較高的電流、電壓應(yīng)力，文獻(xiàn)[10]中沒(méi)有額外的電流、電壓應(yīng)力，但是耦合電感設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，成本較高。

本文提出一種基于小耦合電感的軟開關(guān)同步Boost變換器，該變換器利用耦合電感器和諧振電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通并抑制體二極管的反向恢復(fù)。相比于其他采用耦合電感的方案，原邊和副邊電感繞組非常小，因此耦合電感的設(shè)計(jì)體積小、成本低，同時(shí)相比于傳統(tǒng)軟開關(guān)變換器的復(fù)雜控制，本方案的控制方式較為簡(jiǎn)單。此外，本文提出的變換器主開關(guān)不會(huì)額外增加電流、電壓應(yīng)力，輔助開關(guān)以及二極管的電流電壓應(yīng)力也處于可接受的水平。本文詳細(xì)介紹了該變換器的工作原理和特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。

1? 所提變換器的工作原理

基于小耦合電感的軟開關(guān)同步Boost變換器如圖1所示，圖中S1為主開關(guān)管;S2為整流開關(guān)管;Sa為輔助開關(guān)管;C1，C2分別為S1，S2的寄生電容或外加吸收電容，L1，L2為耦合電感;Ca為諧振電容;D1，D2，D3為續(xù)流二極管。該變換器在電感L電流連續(xù)模式下正常工作，主開關(guān)管S1和整流開關(guān)管S2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通和關(guān)斷，輔助開關(guān)管Sa實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，所有二極管也實(shí)現(xiàn)了軟開通和關(guān)斷。

為了簡(jiǎn)化分析，作出以下假設(shè)：

1） 輸入電壓Vin、輸出電壓Vout為恒定值;

2） 開關(guān)管S1，S2的寄生電容值在整個(gè)變換器工作過(guò)程中為定值，且C1=C2;

3） 主電感值遠(yuǎn)大于諧振電感值，可認(rèn)為在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入電流IL恒定不變;

4） 所有半導(dǎo)體器件均是理想器件。

該變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的主要工作波形如圖2所示，開關(guān)管S1，S2交替導(dǎo)通，它在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)共有9個(gè)工作模態(tài)，各工作模態(tài)的等效電路如圖3a）～圖3i）所示，圖3中的圖j）與圖a）等效，表示進(jìn)入下一開關(guān)周期，之后重復(fù)循環(huán)過(guò)程。

模態(tài)1[t0～t1]，對(duì)應(yīng)圖3a）：假設(shè)在t0時(shí)刻之前，開關(guān)管S1導(dǎo)通，二極管D2，D3電流線性減小。t0時(shí)刻[iD2]減小到0，二極管D2，D3反向截止。該模態(tài)電感L處于能量存儲(chǔ)階段，并且輸出電容C0中的能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載RL中。

模態(tài)2[t1～t2]，對(duì)應(yīng)圖3b）：t1時(shí)刻，S1關(guān)斷。S1的吸收電容C1和S2的吸收電容C2分別被充放電。

[UC1（t）=IL（t-t1）2C1UC2t=Uo-IL（t-t1）2C1]? ? ? ? ? （1）

由式（1）可得S2兩端的電壓[US2]線性下降。該模態(tài)中由于吸收電容C1的存在，當(dāng)S1斷開時(shí)，S1兩端電壓仍然為0 V，因此S1關(guān)斷屬于零電壓關(guān)斷。

模態(tài)3[t2～t3]，對(duì)應(yīng)圖3c）：t2時(shí)刻，S2兩端的電壓[US2]減小到0，其體二極管自然導(dǎo)通續(xù)流，將S2兩端電壓鉗位在0 V，這時(shí)候?qū)⊿2，屬于零電壓開通。

模態(tài)4[t3～t4]，對(duì)應(yīng)圖3d）：t3時(shí)刻，S2零電壓開通，能量從輸入Vin、電感L通過(guò)S2傳遞到負(fù)載RL，電感L處于放能階段。

模態(tài)5[t4～t5]，對(duì)應(yīng)圖3e）：t4時(shí)刻，輔助開關(guān)管Sa開通，二極管D1正向?qū)?，其兩端電壓? V，流過(guò)初級(jí)電感L1的電流[iL1]開始增加。該模態(tài)中，由于Sa開通前電流為0 A，因此Sa，D1屬于零電流開通，由于 D1在導(dǎo)通前兩段電壓為0 V，所以D1也屬于零電壓導(dǎo)通。

[iL1t=iD1t=iSat=UoL1（t-t4）iS2t=IL-iL1t]? ?（2）

模態(tài)6[t5～t6]，對(duì)應(yīng)圖3f）：t5時(shí)刻，流過(guò)初級(jí)電感L1的電流[iL1]增加至輸入電流iL，關(guān)斷S2，C2，C1，Ca和L1發(fā)生諧振，C2充電，C1，Ca放電。

[iL1t=2C1dUC1（t）dt+CadUCa（t）dt+ILUC1t=UCat=L1dIL1（t）dt]? （3）

模態(tài)7[t6～t7]，對(duì)應(yīng)圖3g）：t6時(shí)刻，C1，Ca兩端電壓減小到0 V，二極管D1零電壓關(guān)斷，S1的體二極管自然導(dǎo)通續(xù)流，將S1兩端電壓鉗位在0 V，這時(shí)候?qū)⊿1，屬于零電壓開通。

模態(tài)8[t7～t8]，對(duì)應(yīng)圖3h）：t7時(shí)刻，開通S1，關(guān)斷Sa，初級(jí)電感L1中的能量轉(zhuǎn)移至次級(jí)電感L2，二極管D2正向?qū)ǎ渭?jí)電感L2中的能量再轉(zhuǎn)移至Ca中，輸出電容C0中的能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載RL中。由于L2與Ca諧振，輔助開關(guān)Sa屬于零電壓關(guān)斷，二極管D2在導(dǎo)通前電流為0，屬于零電流導(dǎo)通。

[UCat=L2dIL2（t）dtiL1t=CadUCa（t）dt]? ? ? ? ? ? ?（4）

模態(tài)9[t8～t9]，對(duì)應(yīng)圖3i）：t8時(shí)刻，Ca兩端電壓上升至Vout，二極管D3零電壓導(dǎo)通，次級(jí)電感L2中的多余能量以及輸出電容Co中的能量共同轉(zhuǎn)移至負(fù)載RL中，在t9時(shí)流過(guò)次級(jí)電感中的電流降為0，D2，D3屬于零電流關(guān)斷，此時(shí)一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

[iL2t=iD2t=iD3t=UoL2（t-t8）]? ? （5）

2? 軟開關(guān)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1? 軟開關(guān)分析

根據(jù)以上分析，模態(tài)3與模態(tài)6為緩沖電容C1，C2的充放電階段，這兩階段對(duì)于實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管和整流開關(guān)管的軟開關(guān)極為關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的難易程度也不相同。對(duì)于整流開關(guān)管S2，其軟開關(guān)限制條件為電感L和吸收電容C1，C2諧振，讓C2上電壓諧振到0 V，可表示為：

[12C2U2o+12C1U2o≤12LI2L]? ? ? ? （6）

由于電感L的值非常大，所以很容易滿足式（6），并且可近似認(rèn)為電感L的電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)保持不變，即恒流源對(duì)C1充電。對(duì)于主開關(guān)管S1，其軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)相對(duì)整流開關(guān)管S2而言復(fù)雜很多，輔助開關(guān)管Sa在S2關(guān)斷前先導(dǎo)通一小段時(shí)間，流過(guò)原邊電感L1的電流逐漸增加，流過(guò)S2的電流逐漸減小，當(dāng)流過(guò)S2的電流逐漸減小到0 A時(shí)關(guān)斷S2，S2屬于零電流電壓關(guān)斷。此時(shí)S1上存儲(chǔ)電荷通過(guò)原邊電感L1進(jìn)行釋放，考慮到吸收電容設(shè)計(jì)的不宜過(guò)大，因此又在L1兩端并聯(lián)了一個(gè)諧振電容Ca，適當(dāng)降低S1中存儲(chǔ)電荷的釋放速度，此時(shí)滿足的條件為：

[12C2U2o+12C1U2o+12CaU2o≥12L1i2L1]? ?（7）

2.2? 吸收電容C1，C2和電容Ca參數(shù)設(shè)計(jì)

吸收電容的存在是為了降低開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)漏源電壓上升的速度，吸收電容的值選取的越大，零電壓關(guān)斷的效果越好。然而，吸收電容選取的越大就意味著反向電流要設(shè)計(jì)的足夠大，以保證開關(guān)管在零電壓開通時(shí)釋放更多的能量，因此吸收電容的選取要適中。電容C1，C2的選取必須首先要滿足模態(tài)2和模態(tài)6中零電壓關(guān)斷的條件，還要滿足模態(tài)3和模態(tài)7中零電壓開通的條件。根據(jù)MOSFET管的關(guān)斷特性，模態(tài)2持續(xù)時(shí)間應(yīng)該大于200 ns，根據(jù)式（1）可得[C1=C2≥100×10-9ILUo]，實(shí)際上選值應(yīng)比計(jì)算得到的值小一點(diǎn)。由于吸收電容的值不宜過(guò)大，因此并聯(lián)了一個(gè)諧振電容Ca，也為耦合電感的磁平衡創(chuàng)造了條件。

2.3? 耦合電感設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，本文所設(shè)計(jì)的耦合電感值較小，其本身參與電路中的諧振過(guò)程。該電路中的諧振過(guò)程分為兩部分，第一部分為初級(jí)電感L1與電容C1，C2，Ca的諧振，初級(jí)電感L1存儲(chǔ)來(lái)自電容C1，Ca釋放的能量。由于耦合，初級(jí)電感L1存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移至次級(jí)電感L2中，第二部分是次級(jí)電感L2與電容Ca的諧振，次級(jí)電感L2中的能量轉(zhuǎn)移至電容Ca，以維持Ca的充放電平衡，多余能量則轉(zhuǎn)移至負(fù)載。因此，耦合電感的設(shè)計(jì)不僅要滿足式（7），也要滿足式（8）。

[12CaU2o≤12L2i2L2≤12CaU2o+12CoU2o]? ? （8）

可以發(fā)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)時(shí)只需要耦合電感匝數(shù)比為1∶1，且初級(jí)、次級(jí)電感值相等，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

3? 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證以上分析的正確性，采用Pspice 16.0仿真軟件搭建了該變換器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最大輸出功?00 W，輸入電壓Uin=40 V，輸出電壓Uo=80 V，開關(guān)頻率Fs=100 kHz，主電感L=500 μH，原邊電感L1=6 μH，副邊電感L2=6 μH，諧振電容Cr=4 μF，吸收電容C1=C2=3 nF。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，為了便于觀察圖中的電流電壓波形，開關(guān)管和二極管的電流電壓適當(dāng)?shù)胤糯笠欢ū稊?shù)。此外，本文所提的變換器也可以應(yīng)用于輸入電壓變化的場(chǎng)合，只需要適當(dāng)?shù)馗淖円幌聟?shù)設(shè)計(jì)以及輔助開關(guān)管Sa導(dǎo)通的時(shí)間就能夠在不同輸入電壓下實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管和二極管軟開關(guān)。主開關(guān)管S1和整流開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)電壓波形和漏源電壓波形如圖4所示，可以看到，主開關(guān)管S1和整流開關(guān)管S2都實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，而且沒(méi)有多余的電壓應(yīng)力。輔助開關(guān)管Sa的驅(qū)動(dòng)電壓和漏源電壓波形仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到，輔助開關(guān)管Sa實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，很短的時(shí)間內(nèi)Sa兩端的電壓為輸出電壓的2倍，處于可接受的水平范圍內(nèi)，輔助管只需選擇耐壓值高的開關(guān)管即可。

從以上仿真研究發(fā)現(xiàn)，所提變換器的軟開關(guān)狀態(tài)是在輸出功率500 W下測(cè)試的，考慮到它在輕載下的性能變現(xiàn)，通過(guò)改變負(fù)載值使功率維持在100 W左右，仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，所提變換器在輕載下也實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟開關(guān)。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文提出一種基于小耦合電感的軟開關(guān)同步Boost變換器，詳細(xì)分析了其工作過(guò)程的各個(gè)模態(tài)和特性，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。該變換器在輕負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管以及整流開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)輔助開關(guān)管可以低損耗軟開通和關(guān)斷，進(jìn)一步提高了變換器的效率。該電路易于控制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，額外的電壓、電流應(yīng)力不會(huì)發(fā)生在主開關(guān)和二極管上，輔助開關(guān)上的電壓、電流應(yīng)力也處于可接受的水平，因此對(duì)其他變換器的軟開關(guān)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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