Boost電路的一種軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法

摘要：提出了一種Boost電路軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，即同步整流加上電感電流反向。根據(jù)兩個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件不同，提出了強(qiáng)管和弱管的概念，給出了滿足軟開關(guān)條件的設(shè)計(jì)方法。一個(gè)24V輸入，40V/2.5A輸出，開關(guān)頻率為200kHz的同步Boost變換器樣機(jī)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述方法的正確性，其滿載效率達(dá)到了96.9％

關(guān)鍵詞：升壓電路；軟開關(guān)；同步整流

0 引言

輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關(guān)頻率提高的瓶頸是器件的開關(guān)損耗，于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。一般，要實(shí)現(xiàn)比較理想的軟開關(guān)效果，都需要有一個(gè)或一個(gè)以上的輔助開關(guān)為主開關(guān)創(chuàng)造軟開關(guān)的條件，同時(shí)希望輔助開關(guān)本身也能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

Boost電路作為一種最基本的DC/DC拓?fù)涠鴱V泛應(yīng)用于各種電源產(chǎn)品中。由于Boost電路只包含一個(gè)開關(guān)，所以，要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)往往要附加很多有源或無源的額外電路，增加了變換器的成本，降低了變換器的可靠性。

Boost電路除了有一個(gè)開關(guān)管外還有一個(gè)二極管。在較低壓輸出的場合，本身就希望用一個(gè)MOSFET來替換二極管（同步整流），從而獲得比較高的效率。如果能利用這個(gè)同步開關(guān)作為主開關(guān)的輔助管，來創(chuàng)造軟開關(guān)條件，同時(shí)本身又能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，那將是一個(gè)比較好的方案。

本文提出了一種Boost電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的方法。該方案適用于輸出電壓較低的場合。

1 工作原理

圖1所示的是具有兩個(gè)開關(guān)管的同步Boost電路。其兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，中間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。通常設(shè)計(jì)中電感上的電流為一個(gè)方向，如圖2第5個(gè)波形所示。考慮到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間，一個(gè)周期可以分為5個(gè)階段，各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。下面簡單描述了電感電流不改變方向的同步Boost電路的工作原理。在這種設(shè)計(jì)下，S₂可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，

圖1 同步Boost變換器

圖2 電感電流不反向時(shí)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]

圖3 電感電流不反向時(shí)各階段等效電路

但是S₁只能工作在硬開關(guān)狀態(tài)。

1）階段1〔t₀～t₁〕 該階段，S₁導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流線性增加。在t₁時(shí)刻，S₁關(guān)斷，該階段結(jié)束。

2）階段2〔t₁～t₂〕 S₁關(guān)斷后，電感電流對S₁的結(jié)電容進(jìn)行充電，使S₂的結(jié)電容進(jìn)行放電，S₂的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。

3）階段3〔t₂～t₃〕 當(dāng)S₂的漏源電壓下降到零之后，S₂的寄生二極管就導(dǎo)通，將S₂的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S₂的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。

4）階段4〔t₃～t₄〕 S₂的門極變?yōu)楦唠娖?，S₂零電壓開通。電感L上的電流又流過S₂。L上承受輸出電壓和輸入電壓之差，電流線性減小，直到S₂關(guān)斷，該階段結(jié)束。

5）階段5〔t₄～t₅〕 此時(shí)電感L上的電流方向仍然為正，所以該電流只能轉(zhuǎn)移到S₂的寄生二極管上，而無法對S₁的結(jié)電容進(jìn)行放電。因此，S₁是工作在硬開關(guān)狀態(tài)的。

接著S₁導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)周期。從以上的分析可以看到，S₂實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，但是S₁并沒有實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。其原因是S₂關(guān)斷后，電感上的電流方向是正的，無法使S₁的結(jié)電容進(jìn)行放電。但是，如果將L設(shè)計(jì)得足夠小，讓電感電流在S₂關(guān)斷時(shí)為負(fù)的，如圖4所示，就可以對S₁的結(jié)電容進(jìn)行放電而實(shí)現(xiàn)S₁的軟開關(guān)了。

圖4 電感電流反向時(shí)的主要工作波形