一种新型的ZVS-PWM-MR Boost变换器

1．概 述

　　小型轻量化是目前开关电源类产品的追求目标，实现这一目标的主要手段是提高开关频率。然而开关频率的提高会带来开关损耗增加、严重的电磁干扰（EMI）等问题，这些都限制了开关频率的进一步提高。软开关技术的出现能很好的解决这些问题，但是目前软开关技术的发展还不够完善，存在着不少问题，如在实现所有开关管的软开关、降低电压和电流应力以及在较宽的输入和负载范围内实现软开关等方面还有待进一步的发展[1,3]。

　　本文提出了一种Boost变换器的软开关实现方法，它实现了所有开关管的软开关，这不仅能降低开关损耗，更能显著降低电磁干扰（EMI），同时它还具有和Boost硬开关变换器相同的电压、电流应力，且能在与Boost硬开关变换器近似相同的输入和负载调节范围内实现软开关。

2．工作原理

　　变换器的原理图如图1，其中D1、D2和C1、C2分别是开关管S1和S2的寄生二极管和寄生电容，在传统硬开关Boost变换器的基础上增加了开关管S2、二极管D3、D4和电感L ，它们与C1、C2共同构成了谐振网络。

图1 变换器电路原理图
　　为便于分析，假定Lf和Cf足够大，则输入可等效为电流源，输出等效为电压源。

图2 变换器主要工作波形

　　(a) 在t0之前，S1关断，S2导通，电感L通过S2、D3续流，保持能量，等效电路图如图3（g）。在t0时刻，S2关断，电感L上储存的能量给C2充电，C2上电压持续上升直至达到V0，此后D4自然导通，将Vc2钳位至V0。此阶段S2零电压关断，D4零电压导通。

　　(b)在此阶段，L继续通过D4、负载和D3通路放电，至t2时刻电感电流降至零，D3和D4自然关断。此阶段D3和D4零电流关断。在（a）、（b）阶段输入电流均全部流经整流二极管Do。

　　(c)电感电流降至零以后L与C1、C2形成谐振，电感电流改变方向，这时通过整流二极管Do的电流将是输入电流Ii和谐振电流IL的和，其峰值为IDomax＝Ii+Vo/Ze，其中

。这是整个周期内唯一一次过冲，但由于寄生电容的值较小，通过适当的取值可使其远小于L，这样IDomax≈Ii，与传统硬开关变换器相应的值相同。

　　(d)通过前一阶段的多谐振，将C1、C2上储存的能量放掉，t3时刻C1、C2上电压，也即是开关管S1、S2漏源极间的电压降至零，故此时可在ZVS条件下开通S1和S2。由于L的存在，通过S1、S2的电流线升，故S1和S2开通时也处于零电流状态。同时，通过Do的电流线性下降，至t4时刻IL上升至I0，IDo下降至零，Do自然关断。

　　(e)在此阶段输入电流全部流经开关管S1、S2，这与传统硬开关Boost变换器中的升压电感储能阶段类似。PWM控制的实现也是通过调节此阶段时间的长短来实现的。

　　(f)在t5时刻关断S1，则其寄生电容被充电，电压线性上升，故S1是ZVS关断。同时Do两端的电压线性下降，至t6时刻VC1上升至Vo，VDo下降降至零，则Do在ZVS条件下开通。

　　(g)此阶段与传统硬开关Boost变换器中的升压电感向负载释放能量阶段类似，输入电流全部经整流二极管Do流向负载侧。与传统硬开关变换器不同的是，谐振电感L通过S2、D3形成续流通路而保持能量。至t7时刻S2关断，完成一个循环周期。

3． 软开关实现条件

　　1）时间条件

　　从上述工作原理的分析可很容易的得到实现软开关的时间条件为：S2的关断时间应满足

， S1的开通时间应满足

。同时应注意到由于谐振电容的值很小，谐振阶段在整个开关周期中所占比例是很小的，在忽略谐振阶段的情况下，该变换器的输出-输入调节比为

，其中

，这与传统硬开关Boost变换器是相同的，因此该变换器与传统硬开关Boost变换器具有相同的输入与负载调节范围。

　　2）能量条件

　　此变换器实现软开关的能量条件是在[t0－t1]时间段结束时，应保证C2能充电至Vo。由于采用开关管的寄生电容作为谐振电容，故对于某一特定的变换器，C1和C2的值是确定的，需要选择的是谐振电感L的值。在[t0－t1]阶段，有

及初始条件

4．仿真验证

　　为验证此软开关变换器的工作情况，设计了一个开关频率为100 kHz，功率为50 W的Boost变换器，各开关管的电压、电流波形如图4所示，可以看出，所有的开关管都实现了软开关，因此波形都较为干净，基本不存在开关噪声，这也意味着较低的电磁干扰（EMI）。

5．结 论

　　本文提出了一种新型的ZVS-PWM Boost变换器，详细分析了其工作原理，并进行了验证，结果表明它能实现所有开关管的软开关，有效降低了电磁干扰，并具有较低的电压、电流应力。


参考文献

[1] B.P. Divakar and Ioinovici,A. PWM converter with low stress and zero capacitive turn-on losses. IEEE Trans on Aerospace and Electronic System,vol.33,No.3. pp. 913-920,July 1997.
[2] Yungtaek Jang and Milan M. Jovanovic. A new, soft-switched, high-power-factor Boost converter with IGBTs. IEEE Trans on Power Electronics,vol.17, No.4. pp. 469-476,July 2002.
[3] 阮新波，严仰光. 直流开关电源的软开关技术. 北京：科学出版社