案例：用于APFC的軟開關(guān)BOOST電路的分析與仿真

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1、案例：用于APFC的軟開關(guān)BOOST電路的分析與仿真軟開關(guān)的實(shí)質(zhì)是什么？所謂軟開關(guān)，就是利川電感電流不能突變這個(gè)特性，丿IJ電感來限制開關(guān)管開通過程的電流上升速率，實(shí)現(xiàn)零電流開通。利用電容電壓不能突變的特性，用電容來限制開關(guān)管關(guān)斷過程的電壓上升速率，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。并且利用LC諧振回路的電流與電壓存在相位差的特性，用電感電流給MOS結(jié)電容放電，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通?；蚴窃诠茏雨P(guān)斷之前，電流就已經(jīng)過零，從而實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常多，每種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上都可以演變出多種的軟開關(guān)拓?fù)?。我們在這里，僅對比較常用的，適

2、用于APFC電路的BOOST結(jié)構(gòu)的軟開關(guān)作一個(gè)簡單介紹并作仿真。我們先看看基木的BOOST電路存在的問題，下圖是最典型的BOOST電路：VINL1驅(qū)動(dòng)信號假設(shè)電感電流處于連續(xù)模式，驅(qū)動(dòng)信號占空比為D。那么根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)，磁芯的正向勵(lì)磁伏秒積和反向勵(lì)磁伏秒積相同這個(gè)關(guān)系，可以得到下式：VTNXD二(VOUT-VTN)(卜D),那么可以知道:VOUT=VIN/(1-D)那么對于BOOST電路來說，最人的特點(diǎn)就是輸出電壓比輸入電壓高，這也就是這個(gè)拓?fù)浣凶鯞OOST電路的原因。另外,BOOST電路也有另外一個(gè)名稱:upconvert

3、er,此乃題外話,暫且按下不表。對于傳統(tǒng)的BOOST電路，這個(gè)電路存在的問題在哪里呢？我們知道，電力電子的功率器件,并不是理想的器件。在基本的BOOST電路中：1、當(dāng)MOS管開通時(shí)，由于MOS管存在結(jié)電容，那么開通的時(shí)候，結(jié)電容COSS儲存的能量幾乎完全以熱的方式消耗在MOS的導(dǎo)通過程。其損耗功率為COSSV2fS/2,fS是開關(guān)頻率。V為結(jié)電容上的電壓，在此處V二VOUT。（注意：結(jié)電容與靜電容有些不一樣，是和MOS上承受的電壓相關(guān)的。）2、當(dāng)MOS管開通時(shí)，升壓二極管在由正向?qū)ㄏ蚍雌刂沟倪^程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)過

4、程，在這個(gè)過程中，會有很人的電流尖峰流過二極管與MOS管，從而導(dǎo)致功率損耗。3、當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，雖然冇結(jié)電容作為緩沖，但因?yàn)榻Y(jié)電容太小，關(guān)斷的過程電壓與電流冇較多的重疊，也產(chǎn)生一定的關(guān)斷損耗。下而我們來仿真一下最基木的BOOST電路。因?yàn)锽OOST電路的輸入端是個(gè)大電感，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電流基本不變，所以，在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以用電流源來代替。而輸出因?yàn)槭谴蟮臑V波電容,穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容電壓基本不變，故而在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以用電壓源來代替輸出電容。所以，我們可以在saber的環(huán)境下，得到這個(gè)電路：我們進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到下圖結(jié)杲:dg”O(jiān)從圖上可以

5、看到：1,MOS管在開通時(shí)，可以看到miller效應(yīng)在驅(qū)動(dòng)信號上造成的平臺。2,當(dāng)MOS管開通時(shí)，在MOS的漏極和二極管上產(chǎn)生很人的尖峰電流。從仿真結(jié)果來看，的確存在我們前而分析的容性開通、反向恢復(fù)等問題。那么軟開關(guān)就能解決這個(gè)問題嗎？下血我們先推出今天的第一個(gè)軟開關(guān)的例子:此電路是我以前分析一?華為通信電源模塊時(shí)所見。/vwmir!5W■juftt耐0閔iwM91在這個(gè)電路中，我們主要增加了一個(gè)50uH電感、一個(gè)lOOOpF電容、一個(gè)輔助開關(guān)管HGTG30N60B3.一個(gè)鉗位二極管MUR460等功率器件。進(jìn)行瞬態(tài)分析

6、，我們得到如下結(jié)果:■MBEogwoJNO00EQGO4W￡meoo]?<3t-?0(k?D4000在此圖中，ga為輔助開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號，g為主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號。詒為輔助開關(guān)管集電極電流信號，id為主開關(guān)管漏極電流信號。vdsa為輔助開關(guān)管VCE信號，vds為主開關(guān)關(guān)VDS信號?，F(xiàn)在把工作原理分析如卜1tl時(shí)刻，輔管開始導(dǎo)通，由于輔管是雙極性器件，所以容性開通的情況并不嚴(yán)重。ia波形從零開始緩慢上升，說明輔管是零電流開通。隨著ia電流增加，當(dāng)ia二iout的時(shí)候，輸入電感電流完全流入輔助開關(guān)管，諧振電感電流開始過零反向流動(dòng)，

7、主開關(guān)管1XFH32X50的結(jié)電容開始通過諧振電感諧振放電。t2時(shí)刻，主開關(guān)管的vds電壓已經(jīng)諧振到零，隨后，主管的體二極管開始導(dǎo)通，把諧振電容鉗位在0V,這時(shí)候，如果開通主管，則為零電壓開通。t3時(shí)刻，主開關(guān)管開通，從g的波形上可以看出來，主管開通驅(qū)動(dòng)波形上不在有miller效應(yīng)造成的平臺，這也說明主管是零電壓開通。t4時(shí)刻，主管開通后，輔管就可以關(guān)斷了。從波形上看，輔管的vce與集電極電流ia之間存在比較大的重疊區(qū)域。說明輔管的關(guān)斷并不是軟關(guān)斷。輔管關(guān)斷后，由于MUR460的鉗位作用，輔管電壓不對能超過輸出電壓vou

8、te那么因?yàn)橹鞴艽藭r(shí)已經(jīng)開通，而輔管的VCE為400V,那么諧振電感在400V電壓作用下，電流快速上升。t5時(shí)刻，主管的id達(dá)到了輸入電流IIN,電路進(jìn)入通常的PWM狀態(tài)。直到t6。t6時(shí)刻，主開關(guān)管關(guān)斷，電感電流通過二極管向負(fù)載輸出。主管因?yàn)椴⒙?lián)了較大的snubber電容(1000pF),所以，關(guān)斷時(shí)，vds以一個(gè)