軟勒開關(guān)原理分析

1、 軟勒開關(guān)原理分析    在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓撲結(jié)構(gòu)有Boost、BuckBoost和推挽三種。而當(dāng)輸入電壓比較低（如單節(jié)蓄電池供電時僅12V），功率不太大的情況下，一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。     硬開關(guān)在推挽電路中應(yīng)用已比較成熟，本文先針對硬開關(guān)技術(shù)，分析其在工程應(yīng)用中存在的弊端，進而引入軟開關(guān)技術(shù)2,3,4，并作一比較分析。最后，按照產(chǎn)品設(shè)計要求，研制了一臺300WDC/DC變換器。結(jié)果表明，運用這種拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的升壓變換器具有諸多優(yōu)點。 2    硬開關(guān)電路 2.1 &#

2、160;  工作原理     圖1為推挽式硬開關(guān)電路的工作原理圖1。它有3種工作模式： 圖1    硬開關(guān)電路原理圖     模式1    Q1導(dǎo)通，Q2截止，原邊電流流經(jīng)Q1，同時變壓器副邊電流通過D1和D4向負載供電；     模式2    Q2導(dǎo)通，Q1截止，原邊電流流經(jīng)Q2，同時變壓器副邊電流通過D3和D2向負載供電；     模式3   

3、 Q1和Q2都截止，原邊不向副邊傳輸能量，則負載的能量來自副邊的濾波電感L和濾波電容C。 2.2    分析     圖2和圖3是變換器工作時功率管兩端的電壓波形。由于電感的原因，功率管導(dǎo)通電壓降呈鋸齒波形，見圖3中的vdson。 圖2    功率管工作波形 圖3    功率管導(dǎo)通電壓降     變換器工作條件如下：     Vi=12V，Vo=200V，Io=1.5A；     fs=

4、50kHz，L=200H，R1=R2=10/2W，     C1=C2=0.01F，功率管為BUZ100SL。     測得整機效率僅為74，且功率管發(fā)熱比較嚴重。通過改變吸收電路參數(shù)，并聯(lián)功率管，調(diào)節(jié)輸出濾波參數(shù)顯示，并聯(lián)功率管和適當(dāng)增加L值可以明顯提高整機的效率（見表1）。具體分析如下：     1）增大吸收電容，可以降低功率管關(guān)斷時的沖擊電壓，減小功率管的關(guān)斷損耗，但通過吸收電容轉(zhuǎn)移過來的能量必須由吸收電路中的功率電阻在一個開關(guān)周期內(nèi)給消耗掉，故整機效率還是沒有提高，只是實現(xiàn)了功耗的轉(zhuǎn)移。 

5、0;   2）并聯(lián)功率管時，開關(guān)導(dǎo)通電阻減小，在導(dǎo)通電流不變的情況下，開關(guān)的導(dǎo)通損耗下降，整機效率得以提高；     3）增大輸出濾波電感時，折算到原邊的電感也隨之增大，由L=Vi可知，此時流經(jīng)功率管電流的變化率降低，電流的峰值下降，則開關(guān)的導(dǎo)通損耗也隨之下降。但當(dāng)電感增大到一定值時，由于電感自身損耗的增加大于開關(guān)導(dǎo)通損耗的減小，則整機效率反而下降。 表1    硬開關(guān)時效率隨參數(shù)變化情況 電感L/H 100 200 400 500 效率/ 單管 72 74 82 80 并管 75 78 88 84  &

6、#160;  電感的增加，帶來變換器的體積和成本的增大。如何在不增加變換器的體積和成本的基礎(chǔ)上提高效率？因此將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)引入到推挽變換器中2,3,4。 3    軟開關(guān)電路 3.1    工作原理     圖4為軟開關(guān)電路的原理圖，圖5是理想工作波形。它有4種工作模式： 圖4    軟開關(guān)電路原理圖 圖5    理想工作波形     模式1    0,t1Q1在零電壓下

7、導(dǎo)通，通過Lr、Cr諧振，當(dāng)流經(jīng)Q1的電流諧振到零時，Q1實現(xiàn)零電流關(guān)斷；     模式2    t1,t2Q1關(guān)斷而Q2還未導(dǎo)通時，通過變壓器剩余的激磁電流，使Cs1充電至2Vi、同時Cs2上的電壓放電到零；     模式3    t2,t3Q2在零電壓下導(dǎo)通，通過Lr、Cr的諧振，當(dāng)流經(jīng)Q2的電流諧振到零時，Q2實現(xiàn)零電流關(guān)斷；     模式4    t3,t4Q2關(guān)斷而Q1還未導(dǎo)通，通過變壓器剩余的激磁電流，使

8、Cs2充電至2Vi、同時Cs1上的電壓放電到零。 3.2    實驗結(jié)果     1）元器件及參數(shù)     在硬開關(guān)實驗裝置的基礎(chǔ)上，調(diào)整部分元器件及參數(shù)。     （1）變壓器     磁芯仍用EE55，變比由2：2：50改為2：2：42；副邊漏感為50H。     （2）諧振電容     2fs=     Cr=（1） 式中：fs=50kHz為變換器的工

9、作頻率；       Lr=50H為變壓器的漏感，即諧振電感；       Cr為諧振電容，由式（1）可得電容為0.2F。     （3）吸收及濾波參數(shù)     去掉吸收電路元件R1、C1、R2、C2及濾波電感L。     （4）功率管     采用BUZ100SL雙管并聯(lián)工作。     2）分析     圖68為變換

10、器工作在軟開關(guān)模式下的波形。其中圖6是仿真波形，圖7和圖8是實驗波形。由于功率管是在零電壓下開通和零電流下關(guān)斷，功率管的電壓應(yīng)力（圖7）相對于硬開關(guān)時（圖2）要小。由于功率管是在零電流下開關(guān)，故變壓器副邊側(cè)的整流二極管也工作于軟開關(guān)下，所以變換器效率能得到很大程度的提高，經(jīng)測試，最高可達92.5。 圖6    功率管電壓波形 圖7    功率管工作電壓波形 圖8    諧振電流波形 4    比較分析     為進一步揭示軟開關(guān)工作的優(yōu)勢，在同樣

11、的工作前提條件下，對兩種工作模式作一實驗比較分析。 4.1    工作前提條件     輸入/輸出電壓        12V/200V     輸出電流            1.5A     變換器的工作頻率    50kHz     功

12、率管(雙管并聯(lián))    BUZ100SL×2 4.2    元件比較     由于變壓器原副邊的匝比降低，所以工作于軟開關(guān)模式下的變壓器可采用EE50磁芯和骨架。     表2列出了兩種電路采用的不同元件。 表2    硬開關(guān)與軟開關(guān)兩種電路所需元件比較 開關(guān)類型 變壓器磁芯和骨架 輸出濾波電感 輸出濾波電容 諧振電容 吸收電路 硬開關(guān) EE55 360H 220F/250V 不需要 R=10/2W C=0.01F/50V 軟開關(guān) EE50 不需要 3.3F/250V 0.2F/250V 不需要 4.3    主要性能比較     主要性能比較參見表3。 表3    硬開關(guān)與軟開關(guān)兩種電路主要性能比較 開關(guān)類型 最高效率 功率管電壓應(yīng)力 輸出電壓紋波 EMI 硬開關(guān) 88 3Vi <1.5 一般 軟開關(guān) 92.5 2Vi <0.5 較小 4.4    效率比較     從圖9中