跟我学 常用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真

软开关的实质是什么？

　　所谓软开关，就是利用电感电流不能突变这个特性，用电感来限制开关管开通过程的电流上升速率，实现零电流开通。利用电容电压不能突变的特性，用电容来限制开关管关断过程的电压上升速率，实现零电压关断。并且利用LC谐振回路的电流与电压存在相位差的特性，用电感电流给MOS结电容放电，从而实现零电压开通。或是在管子关断之前，电流就已经过零，从而实现零电流关断。

软开关的拓扑结构非常多，每种基本的拓扑结构上都可以演变出多种的软开关拓扑。我们在这里，仅对比较常用的，适用于APFC电路的BOOST结构的软开关作一个简单介绍并作仿真。

　　我们先看看基本的BOOST电路存在的问题，下图是最典型的BOOST电路：

　　假设电感电流处于连续模式，驱动信号占空比为D。那么根据稳态时，磁芯的正向励磁伏秒积和反向励磁伏秒积相同这个关系，可以得到下式：

　　VIN×D=(VOUT-VIN)(1-D)，那么可以知道：VOUT=VIN/(1-D)

　　那么对于BOOST电路来说，最大的特点就是输出电压比输入电压高，这也就是这个拓扑叫做BOOST电路的原因。另外，BOOST电路也有另外一个名称：upconverter，此乃题外话，暂且按下不表。

　　对于传统的BOOST电路，这个电路存在的问题在哪里呢？我们知道，电力电子的功率器件，并不是理想的器件。在基本的BOOST电路中：

　　1、当MOS管开通时，由于MOS管存在结电容，那么开通的时候，结电容COSS储存的能量几乎完全以热的方式消耗在MOS的导通过程。其损耗功率为COSSV2fS/2，fS是开关频率。V为结电容上的电压，在此处V=VOUT。（注意：结电容与静电容有些不一样，是和MOS上承受的电压相关的。）

　　2、当MOS管开通时，升压二极管在由正向导通向反偏截止的过程中，存在一个反向恢复过程，在这个过程中，会有很大的电流尖峰流过二极管与MOS管，从而导致功率损耗。

3、当MOS关断时，虽然有结电容作为缓冲，但因为结电容太小，关断的过程电压与电流有较多的重叠，也产生一定的关断损耗。

下面我们来仿真一下最基本的BOOST电路。因为BOOST电路的输入端是个大电感，在稳态工作时，电流基本不变，所以，在稳态时可以用电流源来代替。而输出因为是大的滤波电容，稳态时，电容电压基本不变，故而在稳态时可以用电压源来代替输出电容。所以，我们可以在saber的环境下，得到这个电路：

　　我们进行瞬态分析，得到下图结果：

　　从图上可以看到：

　　1，MOS管在开通时，可以看到miller效应在驱动信号上造成的平台。

　　2，当MOS管开通时，在MOS的漏极和二极管上产生很大的尖峰电流。

　　从仿真结果来看，的确存在我们前面分析的容性开通、反向恢复等问题。

　　那么软开关就能解决这个问题吗？

下面我们先推出今天的第一个软开关的例子：

　　此电路是我以前分析一华为通信电源模块时所见。

　　在这个电路中，我们主要增加了一个50uH电感、一个1000pF电容、一个辅助开关管HGTG30N60B3、一个钳位二极管MUR460等功率器件。

　　进行瞬态分析，我们得到如下结果：

　　在此图中，ga为辅助开关管驱动信号，g为主开关管驱动信号。ia为辅助开关管集电极电流信号，id为主开关管漏极电流信号。vdsa为辅助开关管VCE信号，vds为主开关关VDS信号。现在把工作原理分析如下：

　　t1时刻，辅管开始导通，由于辅管是双极性器件，所以容性开通的情况并不严重。ia波形从零开始缓慢上升，说明辅管是零电流开通。随着ia电流增加，当ia=iout的时候，输入电感电流完全流入辅助开关管，谐振电感电流开始过零反向流动，主开关管IXFH32N50的结电容开始通过谐振电感谐振放电。

　　t2时刻，主开关管的vds电压已经谐振到零，随后，主管的体二极管开始导通，把谐振电容钳位在0V，这时候，如果开通主管，则为零电压开通。

　　t3时刻，主开关管开通，从g的波形上可以看出来，主管开通驱动波形上不在有miller效应造成的平台，这也说明主管是零电压开通。

　　t4时刻，主管开通后，辅管就可以关断了。从波形上看，辅管的vce与集电极电流ia之间存在比较大的重叠区域。说明辅管的关断并不是软关断。辅管关断后，由于MUR460的钳位作用，辅管电压不可能超过输出电压vout。那么因为主管此时已经开通，而辅管的VCE为400V，那么谐振电感在400V电压作用下，电流快速上升。

　　t5时刻，主管的id达到了输入电流IIN，电路进入通常的PWM状态。直到t6。

　　t6时刻，主开关管关断，电感电流通过二极管向负载输出。主管因为并联了较大的snubber电容(1000pF)，所以，关断时，vds以一个斜率上升，有较好的零电压关断特性。

　　此电路的优点是：

　　主管实现了零电压的开通与关断。

　　升压二极管实现了“软”的关断。

　　辅管实现了零电流开通。

　　缺点是：

　　辅管的关断特性不好，有较大损耗。

　　另外，钳位二极管，在主管关断后，也流过一定的电流，会让辅管开通的零电流效果变差，甚至产生电流尖峰，这一点也可以从仿真波形上看出来。