半波Boost零电压准谐振电路设计--打印文章-电源开发网

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半波Boost零电压准谐振电路设计

http://www.dykf.com 2008/11/23 电源开发网

Abstract：This paper presents a half-wave Boost zero-voltage-switching quasi-resonant converter, analyses its operating principle and designs of its part parameters.

Keyword：half-wave Boost zero-voltage-switching quasi-resonant soft-switching

1　引言

　　随着新功率器件、新电路拓扑、新控制方法和控制芯片的出现，为了减小体积和重量提高功率密度，功率变换器朝高频化发展，但随之而来的是开关损耗增大其效率也降低，因此常采用软开关技术，使主开关管在零电压（电流）开通或关断以降低开关损耗提高效率。
　　软开关技术可以通过加辅助开关来实现[1]，也可通过移相控制来实现[1][2]，也有利用谐振使开关管在零电压（电流）开通或关断[1] [3][4]。谐振型软开关电路众多，本文主要介绍半波Boost 零电压准谐振（半波Boost ZVS-QRC）电路原理和主要参数的设计。

2　主电路拓扑及其工作原理

2．1 主电路拓扑：

　　图1所示为半波Boost ZVS准谐振电路拓扑，该电路是在传统Boost变换器基础上增加了元件Lr和Cr，通过Lr和Cr谐振为开关管Q1零电压开通创造条件，工作为电压半波模式，DQ1为MOS管寄生二极管。

图1　半波Boost ZVS准谐振电路拓扑

2．2 主要工作原理

　　为说明问题起见，在分析之前先作如下假设：
　　①所有开关管、二极管均为理想器件；
　　②所有电感、电容和变压器均为理想元件；
　　③ Lf>>Lr；
　　④　Lf足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变为Ii，从而Lf和输人电压Vin可看成恒流源Ii；
　　⑤Cf足够大，在一个开关周期中，其电压基本保持不变，为 Vo，从而 Cf和负载电阻可看成恒压源Vo。
　　在一个开关周期Ts中，该变换器有四种开关状态，图2为半波Boost ZVS QRC各开关模态的等效电路，图3为其主要工作波形。

图2半波模式Boost ZVS QRC各开关模态等效电路
（a）[t0～t1]电容充电阶段　　（b）[t1～t2]谐振阶段
（c）[t2～t3]电感放电阶段　　（d）[t3～t4]自然续流阶段

图3　半波模式Boost ZVS QRC主要工作波形
　　1)开关模态Ⅰ[ t0～t1 ] ——电容充电阶段[参考图2（a）
　　在t0时刻之前，开关管Q1导通，输人电流Ii经过Q1续流，谐振电容Cr上的电压为0Ｖ。DQ1处于关断状态，谐振电感Lr的电流为0Ａ，在 t0时刻，关断Q1，输入电流Ii从Q1中转移到 Cr中，给 Cr充电，电压从0Ｖ开始线性上升，由于Cr的电压是慢慢开始上升的，那么Q1就是零电压关断。
　　谐振电容Cr电压vcr：

　　持续时间t01：

　　2）开关模态Ⅱ ［t1～t2］——谐振阶段[参考图2（b）]
　　从t1时刻起D1开始导通，Lr与Cr谐振工作，谐振电感电流iLr从0开始增加，经过Tr/4，到达t1b时刻，iL r等于Ii，此时VCr到达最大值VCrmax ，从t1a时刻开始，iLr大于Ii，此时Cr开始放电，其电压开始下降，在 t2时刻，VCr减小到0Ｖ，此时 Q1的反并二极管DQ1导通，将Q1的电压钳在零位，此时开通Q1，则Q1为零电压开通。
　　

　　3）开关模态Ⅲ［t2～t3］——电感放电阶段电容充电阶段[参考图2（c）]　
在此开关模态中，Q1开通，输人电流Ii流经Q1，此时加在谐振电感两端的电压为Vo，那么iL r线性减小，在t3时刻，iL r减小到0，由于DQ1的阻断作用，iL r不能反方向流动，此开关模态结束。
　　

　　4）开关模态Ⅳ ［t3～t4］——自然续流阶段［参考图2（d）］
　　在此开关模态中，谐振电感Lr和谐振电容Cr停止工作，输人电流Ii经过Q1续流，
负载由输出滤波电容提供能量，在t4时刻，Q1零电压关断开始下一个开关周期。

2．3　主要参数设计

2．3．1滤波电感Lf的设计

　　滤波电感Lf仍然按照Boost变换器设计，要求滤波电感电流在输出某一个最小电流Io(ccm)时保持连续，可按下式计算：

　　在工程设计时为保证电流连续一般输入电压Vin可取Vin（min），输出电压Vo可取Vo(max)，工作频率fs可取fs(min),对负载电流变化范围大下限电流很低场合，可取最小电流

为负载最小电流，并接一假负载以增大最小电流；对恒定负载或变化范围很小的负载可取最小电流

2．3．2输出滤波电容Cf的设计

　　输出滤波电容Cf的容量与输出电源的纹波ΔV有关，假定谐振电感Lr电流纹波分量全部流入滤波电容Cf ，可用下式计算：

　　工程设计时则可用下式计算：

3　谐振电感Lr与谐振电容Cr的设计

　　由式（8）和式（5）有：

　　由图3可知要实现开关管的零电压开通则要求

，可选

，由式（7）和式（10）有：

　　由式（16）和式（17）求得谐振电感Lr与谐振电容Cr。
　　电路为定宽调频PFM电路，即固定关断

通过改变频率来改变占空比。关断时间

可由开关管最短开通和关断时间、电路输入输出电压及电路最低工作频率确定。

4　生产应用

　　我们用以上设计思路和计算方法设计了一种DC/DC变换器教学仪器（半波Boost ZVS-QRC电路挂箱）并已投产，该产品在一些院校实验室应用效果良好。
　　该DC/DC变换器的具体参数如下：
　　输入交流电压： 60Vrms
　　输出直流电压：90V～125V
　　输出功率： 15W
　　工作频率：70kHz～110kHz
　　测试结果驱动脉冲波形、谐振电压Vcr波形（MOS管的电压波形）、谐振电流iLr波形如图5所示。

图5 工作波形
（A）为驱动脉冲波形（B）为谐振电流iLr波形（C）为谐振电压Vcr波形

5　结论

　　本文介绍了一种半波Boost ZVS-QRC电路原理、设计方法，根据该方法设计了一种半波Boost ZVS-QRC电路教学仪器（挂箱）并已投入生产。测试结果表明电路实现了开关管的零电压开通和零电压关断，验证了本文的电路原理和设计方法。

参考文献

[1] 林渭勋，现代电力电子电路，浙江大学出版社，2002年。
[2] 阮新波，严仰光，脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术，科学出版社，2001年。
[3] 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1999年。
[4] 何希才，姜余祥，新型稳压电源及其应用，国防工业出版社，北京2002年。
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作者：罗长春向… 来源：《电源世界》点击数：

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