基于Saber的ZVS PWM Boost變換器的分析與仿真

劉長(zhǎng)清 ，王維俊 ，卓祖訊 ，田元軍

(1.解放軍后勤工程學(xué)院 后勤信息工程系，重慶 401331；2.長(zhǎng)虹電源廠，四川 綿陽(yáng) 621000)

直流開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小功率升壓場(chǎng)合[2-4]。由于開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗與頻率成正比[5]，在硬開(kāi)關(guān)條件下提高開(kāi)關(guān)頻率，使電源輕型化的過(guò)程中，變換器的開(kāi)關(guān)器件損耗增加，感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開(kāi)通電流尖峰隨之增大，電磁干擾(EMI)也會(huì)加重。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是解決這一矛盾的有效方法，所謂軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際是利用電感與電容諧振，使開(kāi)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(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)關(guān)Boost變換器，通過(guò)采用輔助開(kāi)關(guān)管和諧振電路，實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管和二極管的軟開(kāi)關(guān)。相比其他的軟開(kāi)關(guān)變換器，在同樣的控制頻率下，既減小了開(kāi)關(guān)損耗，又提高了變換效率。Saber是美國(guó)Analogy公司開(kāi)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(kāi)關(guān)的條件并通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)。

開(kāi)通時(shí)，Cr和Lr構(gòu)成的諧振電路可以減小并延緩主開(kāi)關(guān)管M1的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓上升率du/dt，為M1和D1營(yíng)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管M1和輔助開(kāi)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(kāi)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：

狀態(tài)3(t2～t3)：Cr繼續(xù)放電，在諧振作用下其端壓方向使D3導(dǎo)通，諧振電感電流達(dá)到最大值，ULr被嵌位為零。

狀態(tài)4(t3～t4)：輔助開(kāi)關(guān)管截止，為維持iLr連續(xù)，Lr端壓瞬時(shí)反向并使D2導(dǎo)通，iLr迅速線性下降，致使D3具有ZCZVOFF環(huán)境。在M2截止瞬間，由于D3的反向恢復(fù)作用使得M1具有ZVON環(huán)境，iM1迅速線性上升。 在t4時(shí)刻，D1與M1之間的換流結(jié)束。此時(shí)有：

狀態(tài)5(t4～t5)：這一階段M1穩(wěn)定導(dǎo)通，有iM1=Iin，使得iLr為零，D2具有ZCOFF。負(fù)載電流由輸出濾波電容釋放能量維持。

狀態(tài)6(t5～t6)： 主開(kāi)關(guān)管M1關(guān)斷，iM1迅速向iCr線性換流，此時(shí)將對(duì)諧振電容開(kāi)始充電，由于Cr較大且換流時(shí)間很短，可近似認(rèn)為M1具有ZVOFF。

狀態(tài)7(t6～t7)：在iCr=Iin極短的恒流充電時(shí)間內(nèi)，UM1迅速線性上升，UD1迅速線性下降， 當(dāng)UD1=0時(shí)，D1具有ZVON，UM1被嵌位為U0，iCr瞬間全部轉(zhuǎn)入iD1中，iM1向iD1的換流過(guò)程完成。

狀態(tài)8(t7～t8)：iM1與iD1的換流過(guò)程完成之后，進(jìn)入D1穩(wěn)定導(dǎo)通階段，電路處于普通PWM控制方式下主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的工作狀態(tài)，能量由輸入直流源Uin向負(fù)載傳遞，至此一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)周期的輔助開(kāi)關(guān)管M1開(kāi)通，如圖2所示。此時(shí)有：

3 軟開(kāi)關(guān)工作條件

軟開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)的正常工作，需要確保在一個(gè)開(kāi)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(kāi)通前使得UM1降為零，為此需要輔助開(kāi)關(guān)管M2的觸發(fā)信號(hào)上升沿超前于主開(kāi)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：

4 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

ZVS PWM Boost電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：Uin=30 V，Uout=60 V，負(fù)載R=200 Ω，輸入電流紋波＜5%，輸出電壓紋波為1%，fs=10 kHz，占空比D=0.5。

4.1 輸入濾波電感和輸出濾波電容的選取

輸入濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf應(yīng)該分別滿足輸入電流紋波和輸出電壓紋波的要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中的公式可以分別求出Lf和Cf：

得Lf=100 mH

得Cf≥25 μF，實(shí)際中取為Cf=30 μF。

4.2 諧振電感Lr和諧振電容Cr的選取

諧振電感Lr的主要作用是保證二極管D1軟關(guān)斷，降低其反向恢復(fù)電流引起的損耗，同時(shí)起到抑制輔助開(kāi)關(guān)管M2的電流上升率，從而降低其開(kāi)關(guān)損耗。因此，電路中Lr的實(shí)際值是根據(jù)二極管電流的反向恢復(fù)時(shí)間trr來(lái)確定[10]。一般按式(12)取3倍的反向恢復(fù)時(shí)間計(jì)算諧振電感Lr的值[11]。本文的快速恢復(fù)二極管選用MUR460，取trr=60 ns，得Lr=18 μH。

諧振電容Cr的主要作用是限制主開(kāi)關(guān)管M1的電壓上升率，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰值，以保護(hù)開(kāi)關(guān)管正常工作。實(shí)際的諧振電感Cr值是主開(kāi)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(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)加大損耗，難以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率fs的5～10倍。若過(guò)高，諧振電流峰值太大；若過(guò)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(kāi)關(guān)管IRF150，D1為MUR460，D2、D3為MUR1540。

圖3 M1在硬、軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)通和關(guān)斷波形

仿真結(jié)果分別為圖3、圖4、圖5所示。圖3為主開(kāi)關(guān)管在硬、軟開(kāi)關(guān)條件的開(kāi)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(kāi)關(guān)條件的電壓、電流波形圖。圖5為在硬軟開(kāi)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(kāi)關(guān)管M1和續(xù)流二極管D1都實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，有效降低了開(kāi)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。

圖4 D1在硬、軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)通和關(guān)斷波形

圖5 硬、軟開(kāi)關(guān)條件下的輸出電壓、電流波形

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(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，并使續(xù)流二極管具有軟開(kāi)關(guān)環(huán)境，從而有效減少了開(kāi)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(kāi)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。

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