微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 硬件设计 > 电源设计 > 跟我学 常用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真

跟我学 常用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真

时间:09-12 来源:互联网 点击:

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。

Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top