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基于PWM变换器的新型无源无损软开关 肖文勋，王志强 （华南理工大学，广东 广州 510640） 摘 要：详细分析了一种基于PWM变换器的新型无源无损软开关，并给出了其最优化设计步骤。一台满载功率为900W的带有该无缘无损软开关的Boost变换器验证了其开关管实现零电流开通和零电压关断，并与传统的Boost变换器比较，验证其具有较高的效率。 关键词：Boost变换器；无源无损软开关；零电流开通；零电压关断 中图分类号： 文献标识码： A Novel Passive Lossless Soft Switching Method for PWM Converters XIAO Wen-xun，WANG Zhi-qiang (South China University of Technology，Guangzhou 510640, China) Abstract: The detailed analyses and optimized design procedures of a novel passive lossless soft switching method for PWM converters are presented in this paper. And a 900W full load power Boost converter with this lossless passive soft switching method is built, which realizes zero current turning-on and zero voltage turning-off, its better efficiency is also confirmed compared with conventional Boost converters. keywords：boost converter；passive lossless soft switching method；zero current turning-on；zero voltage turning-off 0引言 设计者一般通过提高开关频率来减小Boost变换器的尺寸，但是这样会导致较高的开关损耗和电磁干扰（EMI）。为了解决这些问题，已经有许多文章提出了应用于Boost变换器的软开关技术。所有软开关技术可分为有源软开关和无源软开关两种。在大功率应用中，无源软开关比有源软开关具有较高的可靠性、效率和性价比[1]。本文提出一种新型的无源无损软开关电路，可以用于各种PWM DC/DC变换器实现软开关，并以带有该无源无损软开关的Boost变换器进行理论分析，并以实验结果证明其效率明显高于传统的Boost变换器。 1 无源无损软开关工作过程分析 所示的是利用这种软开关的Boost和Buck电路。该电路实现开关管S的零电流开通和零电压关断，有效地抑制续流二极管D的反向恢复电流。储存在软开关电路中的能量全部回馈给负载，理论上这种电路是无损的。 （a）的Boost变换器由直流电源供电，并带有无源无损软开关电路。图1中 和 分别实现开关管S的零电流开通和零电压关断。 调节 上的能量，并且辅助 复位； 比 大得多，所以存储在 中的能量在每个开关周期内不完全回馈输入和输出端，并且它的端电压可看作恒定的。 将 的部分能量传递到输出端。 该电路在一个周期内的工作过程可分为7个阶段，所示，各个阶段相应的主要工作波形所示。 （a）Boost变换器 （b）Buck变换器 图（1）具有无源无损软开关的Boost和Buck变换器 Boost电路工作过程的各阶段 Boost电路工作过程各阶段的理论波形 （1）阶段1[ ]――零电流开通 时刻开关管S导通，由于缓冲电感 的存在，开关管中的电流缓慢上升，从而实现开关管的零电流开通。另一方面， 的存在极大抑制了续流二极管D的反向恢复电流，并使反向恢复过程中的电压尖峰大大削弱，在分析过程中不考虑反向恢复过程。 时刻当 的电流大致等于 时，阶段2开始。 （2）阶段2[ ]—— 复位 时刻 上电压为 。该阶段中 ， 和 构成谐振回路， 通过此谐振回路放电，直至 时刻 上电压降为0，为开关管S的零电压关断创造条件。因为 比 大得多，该阶段中 电流可看成恒定的。在 时刻开关管S承受最大电流应力： （1） （3）阶段3[ ]—— 和 复位 时刻当 上电压降为0后，Ds1导通，在图3（a）阶段，存储在 中的能量释放到 中， 和 的电流都下降。若 上的电流比 上的电流先降到0，则进行图3（b）阶段， 中的能量继续释放到 中直至 时刻 上的电流降为0；否则进行阶段图3（c）。 上的电流是否比 上的电流先降到0由下面的不等式决定： （4）阶段4[ ] 软开关电路停止工作，电路进入正常的PWM开通阶段。 软开关电路在开关管S开通过程中工作的时间： （2） 式中 ， 。 （5）阶段5[ ]——零电压关断 在阶段5a中， 时刻 ＝0，由于 的存在，开关管S零电压关断。S关断后，电流 全部转移到 中，其端电压迅速上升。当 的端电压升至 时，Ds3导通，阶段5b开始，接着进行阶段5c。除非电流 非常小，阶段5b和5c的时间极短。在t6时刻 的端电压升至 ，Ds2导通，阶段6开始，此时开关管S承受最高电压 。 （6）阶段6[ ] 该阶段中， 和 上的电流继续上升。在 时刻 上的电流升至 ，此时Ds1和Ds2自然关断。 （7）阶段7[ ] 电路进入正常的PWM关断阶段，直到开关管S下一次开通。本阶段中，存储在 中的部分能量通过 回馈输出端。 软开关电路在开关管S关断过程中工作的时间： （3） 3 无源无损软开关电路的设计 3．1 开关损耗分析 加入软开关电路后，因 的存在使得通过开关管S的电流在开通时缓慢上升，另一方面，开通过程中其漏源电压不再被嵌在 ，从而能有效地降低损耗。假设开关管S的漏源电压在时间 （开通时间）内线性下降到0，则开通损耗可以用下式表示，即 （3） 在本文的设计中，开关管使用MOSFET。当MOSFET关断时， 电容（米勒电容）充电或放电时，其栅极电压是恒定的。因此，漏源电压 的上升率等于漏栅电压 的上升率。由此可得 （4） 式中： ； 是驱动电路输出的驱动信号高电平值， 是MOSFET开启阀值电压； 是跨导； 是栅极驱动电阻。 MOSFET关断时其漏源电压的上升与缓冲电容 无关，而是因为 的存在使相当一部分电流从 中流过，有效降低了关断损耗，即 （5） 由式（4）和（5）可得MOSFET的关断损耗： 式中： ；否则 。（6） 是漏源寄生电容中存储的能量。 由式（6）可知，关断损耗与缓冲电容 有关，但当 大于一定值时关断损耗的改善不明显。[2] 3．2 电容和电感值的优化设计 整合开关管开通和关断时的损耗，并忽略漏源寄生电源中存储的能量 ，可得加入该无源无损软开关电路后开关管的总开关损耗： （7） 由式7可知， 和 的值越大，开关管的开关损耗越小。但是由式（2）和式（3）可知， 和 的值越大， 和 越长，这就限制了占空比的大小。 由于 相对于时间是定值，又与 和 有直接关系。如果假设 和 小于开关周期的某一比值 ，0< <1，则可得下式： （8） 由式（8）总可以找到一个恰当的 ，以使开关损耗最小。因此可以确定 和 的最优值： 设 ， （9） ， （10） （a） （b） 图4 = ， > /10时Ts-k曲线 （a） 的 曲线。（b） 的 曲线。由图可知，只要求出 就可以确定 和 的最优值，从而确保 和 足够小并能满足软开关。 和 ， 的关系可用图4（a）和（b）的经验曲线表示。[3] 3．3 设计步骤 1）由式（9）求 ； 2）求无量纲值 ： 3）利用求得的 值从图（4）（a）和（b）找出一个 值，在最恶劣条件下能使开关损耗最小，而又确保 和 足够小以满足软开关。 ， ； 4）由式（10）求 ； 5）由式（11）和式（12）以及条件 /10< < /2求 。 ，当 （11） ，当 （12） 6）选择恰当的 ，以使它在每个周期里可看作恒定的电压源。 4 实验结果 设计一台40~70 V输入，100~120 V输出，满载输出功率为900 W的带有该无源无损软开关电路的Boost变换器，通过实验验证了带有该无源无损软开关电路的Boost变换器的工作原理和优点。 频率为50 kHz，开关管采用W20NB50。无源无损软开关电路的参数： ， ， ， 。 图5给出了样机中开关管S上的漏源电压 和漏极电流 的波形，由图可见，与图3中分析的理论波形一致，实现了零电流开通和零电压关断，开通时 的过冲比较小。图6给出续流二极管D上的电压 和电流 的波形，由图可见，二极管的反向恢复电流得到了极大的削弱。图7为带有该无源无损软开关电路的Boost变换器（软开关）和传统变换器（硬开关）的效率与输入电压的关系(900 W输出)，由图可见，加上该无源无损软开关电路后，Boost变换器的效率得到了明显的提高。
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