跟我學(xué) 常用于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)，就是利用電感電流不能突變這個(gè)特性，用電感來限制開關(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。

3、當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，雖然有結(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有較多的重疊，也產(chǎn)生一定的關(guān)斷損耗。

下面我們來仿真一下最基本的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)果：

　　從圖上可以看到：

　　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)生很大的尖峰電流。

　　從仿真結(jié)果來看，的確存在我們前面分析的容性開通、反向恢復(fù)等問題。

　　那么軟開關(guān)就能解決這個(gè)問題嗎？

下面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。

　　在這個(gè)電路中，我們主要增加了一個(gè)50uH電感、一個(gè)1000pF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，我們得到如下結(jié)果：

　　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。ia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下：

　　t1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=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)，主開關(guān)管IXFH32N50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，輔管電壓不可能超過輸出電壓vout。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)?/FONT>并聯(lián)了較大的snubber電容(1000pF)，所以，關(guān)斷時(shí)，vds以一個(gè)斜率上升，有較好的零電壓關(guān)斷特性。

　　此電路的優(yōu)點(diǎn)是：

　　主管實(shí)現(xiàn)了零電壓的開通與關(guān)斷。

　　升壓二極管實(shí)現(xiàn)了“軟”的關(guān)斷。

　　輔管實(shí)現(xiàn)了零電流開通。

　　缺點(diǎn)是：

　　輔管的關(guān)斷特性不好，有較大損耗。

　　另外，鉗位二極管，在主管關(guān)斷后，也流過一定的電流，會(huì)讓輔管開通的零電流效果變差，甚至產(chǎn)生電流尖峰，這一點(diǎn)也可以從仿真波形上看出來。

第二個(gè)例子，就是最常見的ZVT零轉(zhuǎn)換電路，先看一下原理圖：

在這個(gè)原理圖中，相對于基本的BOOST電路，諧振回路是并聯(lián)在主回路上的。主開關(guān)管Q1，依然采用MOS，IXFH32N50，輔助開關(guān)管Q2采用IGBT，HGTG30N60b3，諧振電感L1，20uH，諧振電容C2，2nF，兩個(gè)箝位二極管采用MUR460，主二極管采用MUR1560。

　　設(shè)定好參數(shù)后，我們進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到波形如下圖：

　　在此圖中，g為主管驅(qū)動(dòng)，vds為主管VDS波形，i(d)為主管漏極電流，ga為輔管驅(qū)動(dòng)，i(a)為輔管集電極電流，vdsa為輔管VDS波形，i(l.i1)是諧振電感電流，i(p)主二極管電流。

　　工作原理分析如下：

　　t0時(shí)刻之前，主二極管導(dǎo)通，向負(fù)載供電。

　　t0時(shí)刻，輔管開通，由于電感L1的存在，輔管電流線性上升，主二極管電流線性下降。所以輔管是零電流開通，注意看輔管驅(qū)動(dòng)波形上開通過程的miller效應(yīng)是存在的。而主二極管的關(guān)斷過程是相當(dāng)?shù)摹败洝?，反向恢?fù)電流很小。在主二極管電流完全轉(zhuǎn)移到電感L1中以后，主管的VDS電壓開始諧振下降。

　　t1時(shí)刻，主管VDS電壓降到零，然后主管的體二極管導(dǎo)通，將VDS箝位在零。此時(shí)開通主管的話，就屬于零電壓開通。

　　t2時(shí)刻，主管開通，從波形上可以看出，主管完全是零電壓零電流的狀態(tài)開通的。從柵極信號可以看出，沒有開通過程的miller效應(yīng)。主管開通后，輔管就可以關(guān)斷了。

　　t3時(shí)刻，輔管關(guān)斷。從波形上可以看到，關(guān)斷過程中，輔管的VDS電壓在C2的緩沖下緩慢上升，電壓和電流重疊部分較小。因?yàn)榉抡婺Ｐ臀覜]有找到更快速的IGBT，現(xiàn)實(shí)中，我們可以選擇更高速的IGBT,那么，可以實(shí)現(xiàn)輔管的零電壓關(guān)斷。諧振電感L1中的能量向C2中轉(zhuǎn)移。當(dāng)C2電壓達(dá)到輸出電壓時(shí)，箝位二極管會(huì)導(dǎo)通，保證輔管的VDS電壓不會(huì)超過輸出電壓。

　　t4時(shí)刻，當(dāng)諧振電感L1能量完全轉(zhuǎn)移到C2中以后，箝位二極管MUR460_2關(guān)斷反偏。

　　t5時(shí)刻，主管關(guān)斷。輸入電流通過C2、MUR460_2、MUR460_1輸出向負(fù)載。在C2的緩沖下，主管的VDS電壓則線性上升，呈現(xiàn)良好的零電壓關(guān)斷狀態(tài)。

　　t6時(shí)刻，C2能量完全釋放完畢，C2兩端電壓差為零。主二極管MUR1560導(dǎo)通，輸入電流通過主二極管向負(fù)載輸送能量。這樣電路的一次工作過程就完成了。

　　這個(gè)例子，其實(shí)是第一個(gè)例子的改進(jìn)版本。在原有的基礎(chǔ)上，克服了原先的缺點(diǎn)，使輔管的關(guān)斷特性也變好了，進(jìn)一步降低了損耗。

第三個(gè)例子，此電路常見于DELTA的通信電源模塊。從幾百瓦到幾千瓦的，好多型號都用了這個(gè)電路。是DELTA有專利保護(hù)的一個(gè)電路。見圖：

　　在這個(gè)電路中，幾乎不好說哪個(gè)管子是主管，哪個(gè)是輔管了。如果真的要定一個(gè)的話，我們就認(rèn)為Q1，這個(gè)IGBT為主管吧。此電路的驅(qū)動(dòng)信號和前面的兩個(gè)例子不同，是兩路同樣寬度，但相位不同的驅(qū)動(dòng)信號。主管在前開通，輔管在后開通。仿真結(jié)果如下：

　　這個(gè)電路分析起來比較復(fù)雜。

　　t0時(shí)刻之前，輸入電流通過D1向負(fù)載供電。

　　t0時(shí)刻，Q1開始導(dǎo)通，從圖上可以看出，Q1的集電極電流是按照一定的斜率從零開始上升的。故而認(rèn)為Q1是零電流開通。Q1開通后，L1、C1，C2構(gòu)成一個(gè)諧振回路，因?yàn)镃1C2，所以諧振頻率主要由L1與C1決定。C1諧振放電。L1電流則是諧振上升。

　　t1時(shí)刻，C1放電到零，這時(shí)候如果開啟Q2，那么Q2就是零電壓開通了。C1放電到零以后，因?yàn)?/FONT>MOS的體二極管的箝位，C1維持在零電平。而這時(shí)，因?yàn)镼1有導(dǎo)通壓降，Q2的體二極管也有導(dǎo)通壓降。所以L1的電流環(huán)路變成了L1，D2，C2，L1電流在C2電壓作用下降。

　　t2時(shí)刻，Q2導(dǎo)通，從波形上可以看出，是零電壓導(dǎo)通。L1電流繼續(xù)在C2電壓作用下降低。

　　t3時(shí)刻，Q1關(guān)斷，因?yàn)橛蠨2的存在，Q1上的電流被轉(zhuǎn)移到了Q2中，所以，Q1是零電流關(guān)斷。

　　t3～t4時(shí)刻，L1電流過零，并在C2電壓作用下開始反向增加。

　　t4時(shí)刻，Q2關(guān)斷，以為C1的作用，Q2是零電壓關(guān)斷。Q2關(guān)斷后，L1，C1,C2再次諧振，C1電壓上升。L1電流下降,L1低于輸入電流時(shí)，D2導(dǎo)通，給C1充電。

　　t5時(shí)刻，C1上升到VOUT+|VC2|時(shí)，D1導(dǎo)通，開始向負(fù)載供電。同時(shí)，因?yàn)镈2導(dǎo)通，L1電流在C2電壓作用下開始上升。

　　t6時(shí)刻，L1電流上升到輸入電流，D2截止，L1電流保持與輸入電流相同，向負(fù)載供電。

　　此電路的優(yōu)點(diǎn)是：

　　不論是主管還是輔管，都能實(shí)現(xiàn)很好的軟開關(guān)特性。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，該電路的確可以做到很高的效率。不得不佩服DELTA的研發(fā)人員??！

第四個(gè)例子，無源無損軟開關(guān)。前面講過的例子，都是采用了至少兩個(gè)開關(guān)管的電路結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)，就是軟開關(guān)效果好。但是對于控制電路要求就復(fù)雜了一些，需要對驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行處理。是不是有什么方法，能稍微對性能要求降低一點(diǎn)，但電路相對更容易做呢？下面給大家介紹，基于LCD無損吸收網(wǎng)絡(luò)的軟開關(guān)電路。具體先看原理圖：

　　只需要一個(gè)開關(guān)管，控制也簡單了。但是到底是否能起到軟開關(guān)的效果呢？看看仿真結(jié)果吧：

　　t0時(shí)刻之前，輸入電流通過L1,D1向負(fù)載供電。

　　t0時(shí)刻，Q1導(dǎo)通，由于L1的作用，Q1的集電極電流按照一個(gè)斜率從零開始上升，故而可以認(rèn)為Q1是零電流開啟。D1反向恢復(fù)電流很小。從驅(qū)動(dòng)波形上看，存在miller效應(yīng)。這也是此處不選用MOSFET的原因。因?yàn)橛肕OSFET的話，是容性開通，損耗比較大。Q1開通后，C1，C2，L1開始諧振，因?yàn)镃2>>C1，所以諧振頻率由L1，C1決定。

　　t1時(shí)刻，經(jīng)過四分之一周期的諧振，C1能量完全轉(zhuǎn)移到了C2中,C1電壓降為零，D2導(dǎo)通，開始了L1C2的諧振。L1電流在C2電壓作用下諧振下降。

　　t2時(shí)刻，L1電流諧振到零，D2,D3截止，L1電流保持為零，C2電壓維持在峰值保持不變。

　　t3時(shí)刻，Q1關(guān)斷，因?yàn)镃1的緩沖效應(yīng)，Vce電壓從零以一定的斜率上升，我們認(rèn)為Q1是零電壓關(guān)斷。仿真的波形圖上，因?yàn)?/FONT>IGBT的電流拖尾，我們看到關(guān)斷損耗不是很小。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了高速的IGBT，用在這個(gè)場合還是很合適的。

　　t4時(shí)刻，C2充電到輸出電壓，D3，D4導(dǎo)通，L1電流在C2電壓的作用下，開始上升。輸入電流開始從D2，D3，D4支路開始向L1，C2,D4支路轉(zhuǎn)移。

　　t5時(shí)刻，L1電流等于輸入電流，D2，D3截止。電流經(jīng)L1，C2,D4向負(fù)載供電。

　　t6時(shí)刻，C2電壓降為零，D1開通，D4截止。電流經(jīng)過L1,D1向負(fù)載供電。一次開關(guān)動(dòng)作完成。

　　無源無損軟開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1，只需要一個(gè)開關(guān)管，控制方便。

　　2，因?yàn)槲站W(wǎng)絡(luò)是無源器件，不會(huì)受到干擾，工作可靠。

　　缺點(diǎn)是：

　　1，開關(guān)管的開通是容性開通，所以最好用雙極型開關(guān)管。

　　2，因?yàn)橛幸粋€(gè)過程是電流流經(jīng)D2,D3,D4，壓降比較大，有一定的損耗。

　　3，效率比前面例子中的軟開管略低一點(diǎn)。