摘 要： 為了使開關(guān)電源達(dá)到高功率密度和易于便攜的要求，采用高頻PWM（Pulse Width Modulation）軟開關(guān)控制方式，不但利于減小開關(guān)電源的體積，而且還能有效降低開關(guān)器件損耗和噪音。詳細(xì)分析了零電壓變換ZVS(Zero Voltage Switch)PWM脈寬調(diào)制Boost變換器的軟開關(guān)過程及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件,利用Saber軟件對(duì)Boost電路在硬、軟開關(guān)條件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明ZVS PWM軟開關(guān)變換技術(shù)具有開關(guān)損耗小、恒頻控制和變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 軟開關(guān)；諧振回路；ZVS PWM boost；Saber
直流開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)儀器儀表、醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域。目前直流開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著高效率、高頻化、集成化、輕型化、綠色化的方向發(fā)展[1]。Boost變換器以其結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小功率升壓場合[2-4]。由于開關(guān)器件的開關(guān)損耗與頻率成正比[5]，在硬開關(guān)條件下提高開關(guān)頻率，使電源輕型化的過程中，變換器的開關(guān)器件損耗增加，感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通電流尖峰隨之增大，電磁干擾(EMI)也會(huì)加重。而軟開關(guān)技術(shù)是解決這一矛盾的有效方法，所謂軟開關(guān)技術(shù)實(shí)際是利用電感與電容諧振，使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦波或準(zhǔn)正弦波規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時(shí)，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過零時(shí)，使器件開通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零[6-7]。
Boost電路是一種典型的DC/DC變換電路拓?fù)?。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出電壓較低[8]，在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行升壓，以滿足后級(jí)逆變器的需要。為了提高變換器的變換效率、降低損耗，對(duì)傳統(tǒng)的Boost變換器進(jìn)行了改進(jìn)。本文中的軟開關(guān)Boost變換器，通過采用輔助開關(guān)管和諧振電路，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)。相比其他的軟開關(guān)變換器，在同樣的控制頻率下，既減小了開關(guān)損耗，又提高了變換效率。Saber是美國Analogy公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件，它具有強(qiáng)大的混合信號(hào)分析功能。本文詳細(xì)分析了這種變換器的工作原理、實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件并通過Saber進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1 ZVS PWM Boost電路結(jié)構(gòu)
直流電源Uin、輸入濾波電感Lf、主開關(guān)管M1、二極管D1、輸出濾波電容Cf和負(fù)載R構(gòu)成基本的Boost電路拓?fù)?，如圖1所示。輔助開關(guān)管M2，二極管D2、D3，諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成有源軟開關(guān)環(huán)節(jié)。
開通時(shí)，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開關(guān)管M1的開通電流上升率di/dt，使得M1和D1具有ZVON環(huán)境，可有效減少開關(guān)損耗。在關(guān)斷時(shí)，與M1并聯(lián)的電容Cr可以有效抑制主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓上升率du/dt，為M1和D1營造ZVOFF環(huán)境，可有效減少關(guān)斷損耗。二極管D2、D3起到續(xù)流和換流的作用。
2 電路工作過程分析
對(duì)Boost電路做如下分析，假設(shè)：
(1)輸入濾波電感Lf足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流近似為恒值id=Iin，與輸入電源Uin一起構(gòu)成等效恒流源；
(2)輸出濾波電容Cf足夠大，與負(fù)載R一起等效為恒值電壓源；
(3)除主、輔開關(guān)管和二極管以外，其余元件均具有理想特性。
電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，整個(gè)開關(guān)周期可以分為8個(gè)工作狀態(tài)，在一個(gè)周期內(nèi)各階段等效電路如圖2所示，各圖中粗線表示實(shí)際的電流路徑。各階段分述如下：
狀態(tài)1(t0~t1)：t0時(shí)刻之前，主開關(guān)管M1和輔助開關(guān)管M2已關(guān)斷，電路處于D1穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。在t0時(shí)刻，輔助開關(guān)管M2導(dǎo)通，二極管D1在反向恢復(fù)電流的作用下仍然導(dǎo)通，諧振電容被嵌位，諧振電感電流線性上升，在t1時(shí)刻iD1與iLr完成線性換流，D1完成反向恢復(fù)。在該階段D1具有ZCZVOFF環(huán)境。此時(shí)有：
狀態(tài)2(t1~t2)：t2時(shí)刻D1關(guān)斷，Cr的嵌位作用消失，在Cr、Lr諧振作用下iLr繼續(xù)上升，能量從Cr向Lr傳遞。此時(shí)有：
3 軟開關(guān)工作條件
軟開關(guān)環(huán)節(jié)的正常工作，需要確保在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所吸收的能量能夠完全轉(zhuǎn)移到負(fù)載中去。根據(jù)式(1)~式(5)及初始條件，iLr與iD1的換流時(shí)間可以由式(9)表示，諧振時(shí)間由式(10)表示。對(duì)本文中所述的電路，需要在M1開通前使得UM1降為零，為此需要輔助開關(guān)管M2的觸發(fā)信號(hào)上升沿超前于主開關(guān)管M1觸發(fā)信號(hào)上升沿的時(shí)間T(即延遲時(shí)間)大于換流時(shí)間t′和諧振時(shí)間t″之和，其關(guān)系表示為：
諧振電容Cr的主要作用是限制主開關(guān)管M1的電壓上升率，同時(shí)降低開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰值，以保護(hù)開關(guān)管正常工作。實(shí)際的諧振電感Cr值是主開關(guān)管的寄生電容值和外加電容值之和。由于較大的諧振電容Cr將在主開關(guān)管開通時(shí)加大損耗，難以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。因此，實(shí)際中的諧振電容值一般很小，本文中取諧振電容Cr=1 nF高頻陶瓷電容。
諧振頻率fr一般取開關(guān)頻率fs的5～10倍。若過高，諧振電流峰值太大；若過低，主回路的占空比利用率低，會(huì)造成輸入電流的畸變和輸出電壓的不穩(wěn)。所以，在滿足諧振頻率的要求下，根據(jù)得出的諧振電感值和諧振電容值，可以計(jì)算出延遲時(shí)間T=389 ns。
5 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析
為了驗(yàn)證以上ZVZCS全橋變換器工作原理及上述分析的正確性，本研究對(duì)ZVS PWM Boost電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。仿真軟件使用Saber，在Saber/Sketch環(huán)境下建立仿真模型。根據(jù)分析計(jì)算出的參數(shù)結(jié)果選擇主要仿真器件為：主、輔開關(guān)管IRF150，D1為MUR460，D2、D3為MUR1540。
仿真結(jié)果分別為圖3、圖4、圖5所示。圖3為主開關(guān)管在硬、軟開關(guān)條件的開通、關(guān)斷的電壓、電流波形圖。圖4為續(xù)流二極管D1在硬、軟開關(guān)條件的電壓、電流波形圖。圖5為在硬軟開關(guān)條件下輸出電壓、電流波形圖。從仿真波形圖形可以看出，由于諧振環(huán)節(jié)的作用，主開關(guān)管M1和續(xù)流二極管D1都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，有效降低了開關(guān)損耗。同時(shí)，使得輸出電壓、電流均值增大，提高了變換器工作效率。
從理論分析和仿真結(jié)果可以看出，由于諧振電路、ZVS PWM Boost電路可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，并使續(xù)流二極管具有軟開關(guān)環(huán)境，從而有效減少了開關(guān)損耗，在一定程度上抑制了噪聲。變換效率明顯提高，節(jié)能效果明顯，且開關(guān)頻率固定、易于實(shí)現(xiàn)控制，更適合于中小功率變換器。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳忠強(qiáng)，王志君.DC/DC變換器的一種無源控制方案[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(2)：147-150.
[2] SANTI E， MONTI A， Li Donghong， et al. Synergetic control for DC/DC Boost converter： Implementation Options [J]. IEEE Trans. on Industry Applications， 2003， 39(6)：1803-1813.
[3] 史立生，趙振東，陳麗敏.升壓式ZV T2PWM 軟開關(guān)變換技術(shù)研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25(3)：93-97.
[4] CH M H. Review of Power Factor Correction Techniques[C]. IPEMC’97，1997.
[5] 阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.
[6] 周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.
[7] HUAN G， Liu Chingshan， Jiang Yimin， et al. Novel zero-transition PWM converters[J]， IEEE Transactions on Power Electronics， 1994，9(2)：213～219.
[8] HEIDECK G， PURMANN M， STYCZYNSKI Z. Multi channel voltage control for fuel cells[J]. Journal of Power Sources， 2005， 14：594-597.
[9] SHEPHERD W， Li Zhang.電力變流器電路[M].沈經(jīng)，張正南譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.
[10] 曹建安，王兆安.UC3855的應(yīng)用與ZVT PFC電路的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2000，12(6)：49-51.
[11] 黃俊來.一種零電壓轉(zhuǎn)換有源功率因數(shù)校正電路的研究[J].通信電源技術(shù)，2006，23(6)：10-12.