Boost變換器和Boost—ZVT變換器的比較研究

萬力?k榮軍++梁凱++張曉凡

摘要：介紹普通Boost 變換器和BoostZVT變換器的工作原理，指出Boost 變換器的開關管工作在硬開關狀態，而BoostZVT變換器的主開關管工作在軟開關狀態。通過理論分析可以知道BoostZVT變換器的效率更高，然后將兩種電路應用于單相功率因數校正電路中。最后在Pspice軟件環境下搭建功率因數校正電路Boost變換器與BoostZVT變換器的仿真模型并進行仿真，并對仿真結果進行分析和比較，指出了它們各自的優點與缺點。

關鍵詞：Boost變換器；BoostZVT變換器； 硬開關；軟開關；建模與仿真

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1引言

目前，普通Boost變換器一直作為升壓變換器，將一種直流電變換成更高電壓的直流電，其實它也被應用于功率因數校正技術中。傳統的Boost變換器主開關管工作在硬開關狀態，其特點是電路結構簡單，能夠使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，因而控制簡單；缺點是開關工作在硬開關狀態，有很大的開關損耗損耗，同時還會產生嚴重的電磁干擾。因此，在普通Boost變換器中采用軟開關技術不但可以提高開關頻率，還能解決開關損耗和二極管反相恢復等4大難題[1][2]。比如比較典型的軟開關電路Boost-ZVT變換器，其特點通過一個輔助開關使主開關管工作在軟開關狀態，從而能夠提升變換器效率。

2普通Boost變換器的工作原理

普通Boost變換器的工作電路和工作波形如圖1（a）和（b）所示[3]，其工作原理如下，首先認為圖1（a）所示升壓電感L和輸出電容C0很大。當開關管Tr處于開通狀態時，整流后得直流電壓E向電感L進行充電，電流I1保持恒定；同時輸出電容C0上向負載R供電，因C0值很大，所以負載R上的輸出電壓U0為固定不變。設開關管Tr處于開通狀態的時間為ton，這個階段升壓電感L上積蓄的能量為EI1ton。當開關管Tr關斷后，整流后的電源E和升壓電感L共同向輸出電容C0充電，并向負載R提供能量。設開關管Tr關斷時間為toff，這個時間段升壓電感L釋放的能量為（U0- E）I1toff。一個周期之內升壓電感L中積蓄的能量與釋放的能量相等，即

4兩種變換器功率因數校正電路在Pspice

中的建模與仿真

4.1兩種變換器的主要元器件參數取值

普通Boost變換器和BoostZVT變換器的電路設計技術指標都相同，其中輸入電壓：單相交流220±10%V；輸入頻率：50Hz；輸出電壓：直流400V；最大輸出功率：3KW；功率因數：99%；開關頻率：f=100kHz。從上面分析可以知道普通Boost變換器和BoostZVT變換器的電路的升壓電感L和輸出電容C0取值完全相同，唯一不同的是BoostZVT變換器需要計算諧振電感Lr和諧振電容Cr。根據參考文獻[5]和[6]，利用電路知識可以計算出升壓電感L為0.2mH，輸出電容C0為3429μF，諧振電感Lr為30.5μH，諧振電容為130pF。

4.2仿真結果分析

其中圖6（a）和（b）為普通Boost變換器和BoostZVT變換器的主開關管和輔助驅動電壓仿真波形，從圖6（a）可以看出普通Boost變換器只有一個開關管Tr，沒有輔助開關管Tr1，而且只要給它一個驅動脈沖Tr就會處于開通狀態；從圖6 （b） 可以看出BoostZVT變換器有一個主開關管Tr和一個輔助開關管Tr1，圖6 （b）中的仿真波形顯示了主開關管Tr是在輔助開關管Tr1關斷后才開通的，而且輔助開關管導通時間很短，顯著地減少了開關管Tr1的開關損耗。

圖7（a）和（b）為普通Boost變換器和BoostZVT變換器的主開關管Tr驅動波形Vgs，漏源電流波形Ids以及漏源電壓Vds仿真波形圖。從圖7（a）可以看到普通Boost變換器的工作過程，當開關管有驅動脈沖時，開關管Tr電流上升，而開關管Tr兩端電壓為零；無驅動脈沖時，開關管Tr電流為零，而開關管Tr兩端電壓電壓上升。 從圖7（b）可以看到BoostZVT變換器的工作過程，圖7（b）中可以看到主開關管Tr在開通前先有電流反向流過其體內二極管，使漏極電壓箝位到零，再加驅動脈沖從而實現主開關管Tr零電壓開通。當驅動脈沖變為零時，由于主開關管漏源極兩端并聯著諧振電容，使得主開關管漏源兩端的電壓緩慢上升，從而實現主開關管Tr零電壓關斷。即使開關管在高頻率工作狀態下損耗依然很小，故對開關頻率的限制大大減小。從圖圖7（a）和（b）的仿真結果可以得出以下結論：BoostZVT變換器主開關工作在軟開關狀態，即零電壓開通和零電流關斷，而普通Boost變換器主開關管工作在硬開關狀態，因此BoostZVT變換器的效率明顯高于普通Boost變換器的效率，從而提升系統的工作效率。

圖8（a）和（b）為普通Boost變換器和BoostZVT變換器的輸入交流電壓和電流波形仿真波形圖，從圖8（a）和（b）中可以清楚的看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓，也能看出是完整的正弦波，無畸變，兩種電路都能實現功率因數校正的目的。

圖9（a）和（b）為普通Boost變換器和BoostZVT變換器的輸出電流與輸出電壓仿真波形，從圖9（a）和（b）中可以得出輸出電壓與輸出電流保持相對穩定，可靠性高，并且輸出電壓很好達到了設計所要求的400V。

5結論

綜上所述：通過普通Boost變換器和BoostZVT變換器的仿真結果及分析可以得知，基于硬開關的Boost變換器中的開關器件在高電壓，大電流下導通和關斷，會產生較大的開關損耗，降低變換器的效率，并且限制了開關頻率的提高。而基于軟開關的Boost-ZVT變換器可使主開關處于軟開通狀態，降低了開關損耗，同時也可使開關頻率大大提升，從而使Boost電路的應用范圍變的更加廣泛。

參考文獻

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