Boost电路的一种软开关实现方法

2011-05-22 09:44:20来源: 互联网

摘要:提出了一种Boost电路软开关实现方法,即同步整流加上电感电流反向。根据两个开关管实现软开关的条件不同,提出了强管和弱管的概念,给出了满足软开关条件的设计方法。一个24V输入,40V/2.5A输出,开关频率为200kHz的同步Boost变换器样机进一步验证了上述方法的正确性,其满载效率达到了96.9%

关键词:升压电路;软开关;同步整流

   

0    引言

    轻小化是目前电源产品追求的目标。而提高开关频率可以减小电感、电容等元件的体积。但是,开关频率提高的瓶颈是器件的开关损耗,于是软开关技术就应运而生。一般,要实现比较理想的软开关效果,都需要有一个或一个以上的辅助开关为主开关创造软开关的条件,同时希望辅助开关本身也能实现软开关。

    Boost电路作为一种最基本的DC/DC拓扑而广泛应用于各种电源产品中。由于Boost电路只包含一个开关,所以,要实现软开关往往要附加很多有源或无源的额外电路,增加了变换器的成本,降低了变换器的可靠性。

    Boost电路除了有一个开关管外还有一个二极管。在较低压输出的场合,本身就希望用一个MOSFET来替换二极管(同步整流),从而获得比较高的效率。如果能利用这个同步开关作为主开关的辅助管,来创造软开关条件,同时本身又能实现软开关,那将是一个比较好的方案。

    本文提出了一种Boost电路实现软开关的方法。该方案适用于输出电压较低的场合。

1    工作原理

    图1所示的是具有两个开关管的同步Boost电路。其两个开关互补导通,中间有一定的死区防止共态导通,如图2所示。通常设计中电感上的电流为一个方向,如图2第5个波形所示。考虑到开关的结电容以及死区时间,一个周期可以分为5个阶段,各个阶段的等效电路如图3所示。下面简单描述了电感电流不改变方向的同步Boost电路的工作原理。在这种设计下,S2可以实现软开关,

图1    同步Boost变换器

图2    电感电流不反向时的主要工作波形

(a)Stagel[t0,t1]    (b)Stage2[t1,t2]

(c)Stage3[t2,t3]    (d)Stage4[t3,t4]

(e)Stage5[t4,t5]

图3    电感电流不反向时各阶段等效电路

但是S1只能工作在硬开关状态。

    1)阶段1〔t0t1〕    该阶段,S1导通,L上承受输入电压,L上的电流线性增加。在t1时刻,S1关断,该阶段结束。

    2)阶段2〔t1t2〕    S1关断后,电感电流对S1的结电容进行充电,使S2的结电容进行放电,S2的漏源电压可以近似认为线性下降,直到下降到零,该阶段结束。

    3)阶段3〔t2t3〕    当S2的漏源电压下降到零之后,S2的寄生二极管就导通,将S2的漏源电压箝在零电压状态,也就是为S2的零电压导通创造了条件。

    4)阶段4〔t3t4〕    S2的门极变为高电平,S2零电压开通。电感L上的电流又流过S2L上承受输出电压和输入电压之差,电流线性减小,直到S2关断,该阶段结束。

    5)阶段5〔t4t5〕    此时电感L上的电流方向仍然为正,所以该电流只能转移到S2的寄生二极管上,而无法对S1的结电容进行放电。因此,S1是工作在硬开关状态的。

    接着S1导通,进入下一个周期。从以上的分析可以看到,S2实现了软开关,但是S1并没有实现软开关。其原因是S2关断后,电感上的电流方向是正的,无法使S1的结电容进行放电。但是,如果将L设计得足够小,让电感电流在S2关断时为负的,如图4所示,就可以对S1的结电容进行放电而实现S1的软开关了。

图4    电感电流反向时的主要工作波形

    在这种情况下,一个周期可以分为6个阶段,各个阶段的等效电路如图5所示。其工作原理描述如下。

    1)阶段1〔t0t1〕    该阶段,S1导通,L上承受输入电压,L上的电流正向线性增加,从负值变为正值。在t1时刻,S1关断,该阶段结束。

    2)阶段2〔t1t2〕    S1关断后,电感电流为正,对S1的结电容进行充电,使S2的结电容放电,S2的漏源电压可以近似认为线性下降。直到S2的漏源电压下降到零,该阶段结束。

    3)阶段3〔t2t3〕    当S2的漏源电压下降到零之后,S2的寄生二极管就导通,将S2的漏源电压箝在零电压状态,也就是为S2的零电压导通创造了条件。

    4)阶段4〔t3t4〕    S2的门极变为高电平,S2零电压开通。电感L上的电流又流过S2L上承受输出电压和输入电压之差,电流线性减小,直到变为负值,然后S2关断,该阶段结束。

    5)阶段5〔t4t5〕此时电感L上的电流方向为负,正好可以使S1的结电容进行放电,对S2的结电容进行充电。S1的漏源电压可以近似认为线性下降。直到S1的漏源电压下降到零,该阶段结束。

    6)阶段6〔t5t6〕当S1的漏源电压下降到零之后,S1的寄生二极管就导通,将S1的漏源电压箝在零电压状态,也就是为S1的零电压导通创造了条件。

(a)Stagel[t0,t1](b)Stage2[t1,t2]

(c)Stage3[t2,t3](d)Stage4[t3,t4]

(e)Stage5[t4,t5](f)Stage6[t5,t6]

图5    电感电流不反向时各阶段等效电路

    接着S1在零电压条件下导通,进入下一个周期。可以看到,在这种方案下,两个开关S1和S2都可以实现软开关。

2    软开关的参数设计

    以上用同步整流加电感电流反向的办法来实现Boost电路的软开关,其中两个开关实现软开关的难易程度并不相同。电感电流的峰峰值可以表示为

        ΔI=(VinDT)/L(1)

式中:D为占空比;

      T为开关周期。

    所以,电感上电流的最大值和最小值可以表示为

    ImaxI/2+Io(2)

    IminI/2-Io(3)

式中:Io为输出电流。

    将式(1)代入式(2)和式(3)可得

    Imax=(VinDT)/2LIo(4)

    Imin=(VinDT)/2LIo(5)

    从上面的原理分析中可以看到S1的软开关条件是由Imin对S2的结电容充电,使S1的结电容放电实现的;而S2的软开关条件是由Imax对S1的结电容充电,使S2的结电容放电实现的。另外,通常满载情况下|Imax|>>|Imin|。所以,S1和S2的软开关实现难易程度也不同,S1要比S2难得多。这里将S1称为弱管,S2称为强管。

    强管S2的软开关极限条件为L和S1的结电容C1和S2的结电容C2谐振,能让C2上电压谐振到零的条件,可表示为式(6)。

    C2Vo2C1Vo2(<=)LImax2(6)

    将式(4)代入式(6)可得

    C2Vo2C1Vo2(<=)L(7)

    实际上,式(7)非常容易满足,而死区时间也不可能非常大,因此,可以近似认为在死区时间内电感L上的电流保持不变,即为一个恒流源在对S2的结电容充电,使S1的结电容放电。在这种情况下的ZVS条件称为宽裕条件,表达式为式(8)。

    (C2C1)Vo(<=)tdead2(8)

式中:tdead2为S2开通前的死区时间。

    同理,弱管S1的软开关宽裕条件为

    (C1C2)Vo(<=)tdead1(9)

式中:tdead1为S1开通前的死区时间。

    在实际电路的设计中,强管的软开关条件非常容易实现,所以,关键是设计弱管的软开关条件。首先确定可以承受的最大死区时间,然后根据式(9)推算出电感量L。因为,在能实现软开关的前提下,L不宜太小,以免造成开关管上过大的电流有效值,从而使得开关的导通损耗过大。

3    实验结果

    一个开关频率为200kHz,功率为100W的电感电流反向的同步Boost变换器进一步验证了上述软开关实现方法的正确性。

    该变换器的规格和主要参数如下:

    输入电压Vin    24V

    输出电压Vo    40V

    输出电流Io    0~2.5A

    工作频率f    200kHz

    主开关S1及S2    IRFZ44

    电感L    4.5μH

    图6(a),图6(b)及图6(c)是满载(2.5A)时的实验波形。从图6(a)可以看到电感L上的电流在DT或(1-D)T时段里都会反向,也就是创造了S1软开关的条件。从图6(b)及图6(c)可以看到两个开关S1和S2都实现了ZVS。但是从电压vds的下降斜率来看S1比S2的ZVS条件要差,这就是强管和弱管的差异。

    图7给出了该变换器在不同负载电流下的转换效率。最高效率达到了97.1%,满载效率为96.9%。

(a)Current of L(Io=1A)

(b)vgs and vds of S2(Io=2.5A)

(c)vgs and vds of S1(Io=2.5A)

图6    实验波形(Vin=24V)

图7    不同负载电流下的效率曲线

4    结语

    本文提出了一种Boost电路软开关实现策略:同步整流加电感电流反向。在该方案下,两个开关管根据软开关条件的不同,分为强管和弱管。设计中要根据弱管的临界软开关条件来决定电感L的大小。因为实现了软开关,开关频率可以设计得比较高。电感量可以设计得很小,所需的电感体积也可以比较小(通常可以用I型磁芯)。因此,这种方案适用于高功率密度、较低输出电压的场合。

关键字:电路

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0522/article_8931.html
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