Boost電路的一種軟開關實現方法

摘要：提出了一種Boost電路軟開關實現方法，即同步整流加上電感電流反向。根據兩個開關管實現軟開關的條件不同，提出了強管和弱管的概念，給出了滿足軟開關條件的設計方法。一個24V輸入，40V/2.5A輸出，開關頻率為200kHz的同步Boost變換器樣機進一步驗證了上述方法的正確性，其滿載效率達到了96.9％

關鍵詞：升壓電路；軟開關；同步整流

0 引言

輕小化是目前電源產品追求的目標。而提高開關頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關頻率提高的瓶頸是器件的開關損耗，于是軟開關技術就應運而生。一般，要實現比較理想的軟開關效果，都需要有一個或一個以上的輔助開關為主開關創造軟開關的條件，同時希望輔助開關本身也能實現軟開關。

Boost電路作為一種最基本的DC/DC拓撲而廣泛應用于各種電源產品中。由于Boost電路只包含一個開關，所以，要實現軟開關往往要附加很多有源或無源的額外電路，增加了變換器的成本，降低了變換器的可靠性。

Boost電路除了有一個開關管外還有一個二極管。在較低壓輸出的場合，本身就希望用一個MOSFET來替換二極管（同步整流），從而獲得比較高的效率。如果能利用這個同步開關作為主開關的輔助管，來創造軟開關條件，同時本身又能實現軟開關，那將是一個比較好的方案。

本文提出了一種Boost電路實現軟開關的方法。該方案適用于輸出電壓較低的場合。

1 工作原理

圖1所示的是具有兩個開關管的同步Boost電路。其兩個開關互補導通，中間有一定的死區防止共態導通，如圖2所示。通常設計中電感上的電流為一個方向，如圖2第5個波形所示。考慮到開關的結電容以及死區時間，一個周期可以分為5個階段，各個階段的等效電路如圖3所示。下面簡單描述了電感電流不改變方向的同步Boost電路的工作原理。在這種設計下，S₂可以實現軟開關，

圖1 同步Boost變換器

圖2 電感電流不反向時的主要工作波形

(a)Stagel[t₀,t₁] (b)Stage2[t₁,t₂]

(c)Stage3[t₂,t₃] (d)Stage4[t₃,t₄]

(e)Stage5[t₄,t₅]

圖3 電感電流不反向時各階段等效電路

但是S₁只能工作在硬開關狀態。

1）階段1〔t₀～t₁〕 該階段，S₁導通，L上承受輸入電壓，L上的電流線性增加。在t₁時刻，S₁關斷，該階段結束。

2）階段2〔t₁～t₂〕 S₁關斷后，電感電流對S₁的結電容進行充電，使S₂的結電容進行放電，S₂的漏源電壓可以近似認為線性下降，直到下降到零，該階段結束。

3）階段3〔t₂～t₃〕 當S₂的漏源電壓下降到零之后，S₂的寄生二極管就導通，將S₂的漏源電壓箝在零電壓狀態，也就是為S₂的零電壓導通創造了條件。

4）階段4〔t₃～t₄〕 S₂的門極變為高電平，S₂零電壓開通。電感L上的電流又流過S₂。L上承受輸出電壓和輸入電壓之差，電流線性減小，直到S₂關斷，該階段結束。

5）階段5〔t₄～t₅〕 此時電感L上的電流方向仍然為正，所以該電流只能轉移到S₂的寄生二極管上，而無法對S₁的結電容進行放電。因此，S₁是工作在硬開關狀態的。

接著S₁導通，進入下一個周期。從以上的分析可以看到，S₂實現了軟開關，但是S₁并沒有實現軟開關。其原因是S₂關斷后，電感上的電流方向是正的，無法使S₁的結電容進行放電。但是，如果將L設計得足夠小，讓電感電流在S₂關斷時為負的，如圖4所示，就可以對S₁的結電容進行放電而實現S₁的軟開關了。

圖4 電感電流反向時的主要工作波形