案例：用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真

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1、案例：用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真软开关的实质是什么？所谓软开关，就是利川电感电流不能突变这个特性，丿IJ电感來限制开关管开通过程的电流上升速率，实现零电流开通。利用电容电压不能突变的特性，用电容来限制开关管关断过程的电压上升速率，实现零电压关断。并且利用LC谐振回路的电流与电压存在相位差的特性，用电感电流给MOS结电容放电，从而实现零电压开通。或是在管子关断之前，电流就已经过零，从而实现零电流关断。软开关的拓扑结构非常多，每种基本的拓扑结构上都可以演变出多种的软开关拓扑。我们在这里，仅对比较常用的，适

2、用于APFC电路的BOOST结构的软开关作一个简单介绍并作仿真。我们先看看基木的BOOST电路存在的问题，下图是最典型的BOOST电路：VINL1驱动信号假设电感电流处于连续模式，驱动信号占空比为D。那么根据稳态时，磁芯的正向励磁伏秒积和反向励磁伏秒积相同这个关系，可以得到下式：VTNXD二(VOUT-VTN)(卜D),那么可以知道:VOUT=VIN/(1-D)那么对于BOOST电路來说，最人的特点就是输出电压比输入电压高，这也就是这个拓扑叫做BOOST电路的原因。另外,BOOST电路也有另外一个名称:upconvert

3、er,此乃题外话,暂且按下不表。对于传统的BOOST电路，这个电路存在的问题在哪里呢？我们知道，电力电子的功率器件,并不是理想的器件。在基本的BOOST电路中：1、当MOS管开通时，由于MOS管存在结电容，那么开通的时候，结电容COSS储存的能量几乎完全以热的方式消耗在MOS的导通过程。其损耗功率为COSSV2fS/2,fS是开关频率。V为结电容上的电压，在此处V二VOUT。（注意：结电容与静电容有些不一样，是和MOS上承受的电压相关的。）2、当MOS管开通时，升压二极管在由正向导通向反偏截止的过程中，存在一个反向恢复过

4、程，在这个过程中，会有很人的电流尖峰流过二极管与MOS管，从而导致功率损耗。3、当MOS关断时，虽然冇结电容作为缓冲，但因为结电容太小，关断的过程电压与电流冇较多的重叠，也产生一定的关断损耗。下而我们来仿真一下最基木的BOOST电路。因为BOOST电路的输入端是个大电感，在稳态工作时，电流基本不变，所以，在稳态时可以用电流源來代替。而输出因为是大的滤波电容,稳态时，电容电压基本不变，故而在稳态时可以用电压源来代替输出电容。所以，我们可以在saber的环境下，得到这个电路：我们进行瞬态分析，得到下图结杲:dg”O从图上可以

5、看到：1,MOS管在开通时，可以看到miller效应在驱动信号上造成的平台。2,当MOS管开通时，在MOS的漏极和二极管上产生很人的尖峰电流。从仿真结果來看，的确存在我们前而分析的容性开通、反向恢复等问题。那么软开关就能解决这个问题吗？下血我们先推出今天的第一个软开关的例子:此电路是我以前分析一•华为通信电源模块时所见。/vwmir!5W■juftt耐0闵iwM91在这个电路中，我们主要增加了一个50uH电感、一个lOOOpF电容、一个辅助开关管HGTG30N60B3.一个钳位二极管MUR460等功率器件。进行瞬态分析

6、，我们得到如下结果:■MBEogwoJNO00EQGO4W£meoo]»<3t-«0(k•D4000在此图中，ga为辅助开关管驱动信号，g为主开关管驱动信号。诒为辅助开关管集电极电流信号，id为主开关管漏极电流信号。vdsa为辅助开关管VCE信号，vds为主开关关VDS信号。现在把工作原理分析如卜1tl时刻，辅管开始导通，由于辅管是双极性器件，所以容性开通的情况并不严重。ia波形从零开始缓慢上升，说明辅管是零电流开通。随着ia电流增加，当ia二iout的时候，输入电感电流完全流入辅助开关管，谐振电感电流开始过零反向流动，

7、主开关管1XFH32X50的结电容开始通过谐振电感谐振放电。t2时刻，主开关管的vds电压已经谐振到零，随后，主管的体二极管开始导通，把谐振电容钳位在0V,这时候，如果开通主管，则为零电压开通。t3时刻，主开关管开通，从g的波形上可以看出来，主管开通驱动波形上不在有miller效应造成的平台，这也说明主管是零电压开通。t4时刻，主管开通后，辅管就可以关断了。从波形上看，辅管的vce与集电极电流ia之间存在比较大的重叠区域。说明辅管的关断并不是软关断。辅管关断后，由于MUR460的钳位作用，辅管电压不对能超过输出电压vou

8、te那么因为主管此时已经开通，而辅管的VCE为400V,那么谐振电感在400V电压作用下，电流快速上升。t5时刻，主管的id达到了输入电流IIN,电路进入通常的PWM状态。直到t6。t6时刻，主开关管关断，电感电流通过二极管向负载输出。主管因为并联了较大的snubber电容(1000pF),所以，关断时，vds以一个