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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，就是利用电感电流不能突变这个特性，用电感来限制 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 真我们先看看基本的BOOST电路存在的问题，下图是最典型的BOOST电路：D1L1VINR1•驱动信号C1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：VINXD=(VOUT-VIN)(1-D),那么可以 知道： VOUT=VIN/(1-D)那么对于BOOST电路来说，最大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：up converter,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=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 程，在这个过程中，会有很大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，虽然有结电容作为缓冲，但因为结电容太小，关断的过程电压与电流有 较多的重叠，也产生一定的关断损耗下面我们来仿真一下最基本的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来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，得到下图结果：从图上可以看到：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大的尖峰电流从仿真结果来看，的确存在我们前面分析的容性开通、反向恢复等问题那么软开关就能解决这个问题吗？ 下面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，我们得到如下结果：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ia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下： t1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=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，主开关管IXFH32N50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，辅管电压不可能超过输出电压vout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t6t6 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(lOOOpF)，所以，关断时，vds以一个斜率上升，有较好的零电压关断特性此电路的优点是：主管实现了零电压的开通与关断升压二极管实现了“软”的关断辅管 实现了零电流开通缺点是：辅管的关断特性不好，有较大损耗另外，钳位二极管，在主管关断后，也流过一 定的电流，会让辅管开通的零电流效果变差，甚至产生电流尖峰，这一点也可以从仿真波形 上看出来。

第二个例子，就是最常见的ZVT零转换电路，先看一下原理图：*r-V'ApBj|♦I10IOnrudl閒孙呼曲MW」在这个原理图中，相对于基本的BOOST电路，谐振回路是并联在主回路上的主开关管Q1, 依然采用MOS, IXFH32N50,辅助开关管Q2采用IGBT, HGTG30N60b3，谐振电感LI, 20uH, 谐振电容C2, 2nF，两个箝位二极管采用MUR460，主二极管采用MUR1560设定好参数后， 我们进行瞬态分析,得到波形如下图：在此图中，g为主管驱动，vds为主管VDS波形，i(d)为主管漏极电流，ga为辅管驱动， i(a)为辅管集电极电流，vdsa为辅管VDS波形，i(l.i 1)是谐振电感电流，i(p)主二极管电 流工作原理分析如下：t0 时刻之前，主二极管导通，向负载供电t0时刻，辅管开通，由于电感L1的存在，辅管电流线性上升，主二极管电流线性下降所 以辅管是零电流开通，注意看辅管驱动波形上开通过程的miller效应是存在的而主二极 管的关断过程是相当的“软”，反向恢复电流很小在主二极管电流完全转移到电感L1中 以后，主管的 VDS 电压开始谐振下降t1时刻，主管VDS电压降到零，然后主管的体二极管导通，将VDS箝位在零。

此时开通主 管的话，就属于零电压开通t2 时刻，主管开通，从波形上可以看出，主管完全是零电压零电流的状态开通的从栅极 信号可以看出，没有开通过程的miller效应主管开通后，辅管就可以关断了t3时刻，辅管关断从波形上可以看到，关断过程中，辅管的VDS电压在C2的缓冲下缓慢 上升，电压和电流重叠部分较小因为仿真模型我没有找到更快速的IGBT，现实中，我们 可以选择更高速的IGBT，那么，可以实现辅管的零电压关断谐振电感L1中的能量向C2中 转移当C2电压达到输出电压时，箝位二极管会导通，保证辅管的VDS电压不会超过输出 电压t4时刻，当谐振电感L1能量完全转移到C2中以后，箝位二极管MUR460_2关断反偏t5时刻，主管关断输入电流通过C2、MUR460_2、MUR460_1输出向负载在C2的缓冲下， 主管 的 VDS 电压则线性上升，呈现良好的零电压关断状态t6时刻，C2能量完全释放完毕，C2两端电压差为零主二极管MUR1560导通，输入电流通 过主二极管向负载输送能量这样电路的一次工作过程就完成了这个例子，其实是第一个例子的改进版本在原有的基础上，克服了原先的缺点，使辅管的 关断特性也变好了，进一步降低了损耗。

第三个例子，此电路常见于DELTA的通信电源模块从几百瓦到几千瓦的，好多型号都用了 这个电路是DELTA有专利保护的一个电路见图：4? 15ditu 障［舟!-■在这个电路中，几乎不好说哪个管子是主管，哪个是辅管了如果真的要定一个的话，我们就认为Q1,这个IGBT为主管吧此电路的驱动信号和前面的两个例子不同，是两路同样 宽度，但相位不同的驱动信号主管在前开通，辅管在后开通仿真结果如下：这个电路分析起来比较复杂t0时刻之前，输入电流通过D1向负载供电to时刻，QI开始导通，从图上可以看出，QI的集电极电流是按照一定的斜率从零开始上升 的故而认为Q1是零电流开通Q1开通后，LI、Cl, C2构成一个谐振回路，因为C1〈〈C2, 所以谐振频率主要由L1与C1决定C1谐振放电L1电流则是谐振上升tl时刻，C1放电到零，这时候如果开启Q2,那么Q2就是零电压开通了C1放电到零以后， 因为MOS的体二极管的箝位，C1维持在零电平而这时，因为Q1有导通压降，Q2的体二极 管也有导通压降所以L1的电流环路变成了 Ll，D2，C2，L1电流在C2电压作用下降t2时刻，Q2导通，从波形上可以看出，是零电压导通。

L1电流继续在C2电压作用下降低t3时刻，Q1关断，因为有D2的存在，Q1上的电流被转移到了 Q2中，所以，Q1是零电流关 断t3〜t4时刻，L1电流过零，并在C2电压作用下开始反向增加t4时刻，Q2关断，以为C1的作用，Q2是零电压关断Q2关断后，Ll，Cl, C2再次谐振，C1电压上升Ll电流下降，Ll低于输入电流时，D2导通，给Cl充电t5时刻，Cl上升到V0UT+|VC2|时，Dl导通，开始向负载供电同时，因为D2导通，Ll电 流在 C2 电压作用下开始上升t6时刻，Ll电流上升到输入电流，D2截止，Ll电流保持与输入电流相同，向负载供电此电路的优点是：不论是主管还是辅管，都能实现很好的软开关特性从实际经验来看，该电路的确可以做到很高的效率不得不佩服DELTA的研发人员啊！第四个例子，无源无损软开关前面讲过的例子，都是采用了至少两个开关管的电路结构 其优点，就是软开关效果好但是对于控制电路要求就复杂了一些，需要对驱动波形进行处 理是不是有什么方法，能稍微对性能要求降低一点，但电路相对更容易做呢？下面给大家 介绍，基于LCD无损吸收网络的软开关电路具体先看原理图：只需要一个开关管，控制也简单了。

但是到底是否能起到软开关的效果呢？看看仿真结果吧：t0时刻之前，输入电流通过L1, D1向负载供电to时刻，Q1导通，由于L1的作用，Q1的集电极电流按照一个斜率从零开始上升，故而可 以认为Q1是零电流开启D1反向恢复电流很小从驱动波形上看，存在miller效应这 也是此处不选用MOSFET的原因因为用MOSFET的话，是容性开通，损耗比较大Q1开通 后，Cl, C2, L1开始谐振，因为C2〉〉C1，所以谐振频率由LI, C1决定t1时刻，经过四分之一周期的谐振，C1能量完全转移到了 C2中，C1电压降为零，D2导通, 开始了 L1C2的谐振L1电流在C2电压作用下谐振下降t2时刻，L1电流谐振到零，D2, D3截止，L1电流保持为零，C2电压维持在峰值保持不变 t3时刻，Q1关断，因为C1的缓冲效应，Vce电压从零以一定的斜率上升，我们认为Q1是 零电压关断仿真的波形图上，因为IGBT的电流拖尾，我们看到关断损耗不是很小幸运 的是，现在已经出现了高速的IGBT，用在这个场合还是很合适的t4时刻，C2充电到输出电压，D3, D4导通，L1电流在C2电压的作用下，开始上升输入 电流开始从D2, D3。