Boost变换器和Boost—ZVT变换器的比较研究

万力�k荣军++梁凯++张晓凡

摘要：介绍普通Boost 变换器和BoostZVT变换器的工作原理，指出Boost 变换器的开关管工作在硬开关状态，而BoostZVT变换器的主开关管工作在软开关状态。通过理论分析可以知道BoostZVT变换器的效率更高，然后将两种电路应用于单相功率因数校正电路中。最后在Pspice软件环境下搭建功率因数校正电路Boost变换器与BoostZVT变换器的仿真模型并进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。

关键词：Boost变换器；BoostZVT变换器； 硬开关；软开关；建模与仿真

中图分类号：G642文献标识码：A

1引言

目前，普通Boost变换器一直作为升压变换器，将一种直流电变换成更高电压的直流电，其实它也被应用于功率因数校正技术中。传统的Boost变换器主开关管工作在硬开关状态，其特点是电路结构简单，能够使输入电流波形跟随输入电压波形，因而控制简单；缺点是开关工作在硬开关状态，有很大的开关损耗损耗，同时还会产生严重的电磁干扰。因此，在普通Boost变换器中采用软开关技术不但可以提高开关频率，还能解决开关损耗和二极管反相恢复等4大难题[1][2]。比如比较典型的软开关电路Boost-ZVT变换器，其特点通过一个辅助开关使主开关管工作在软开关状态，从而能够提升变换器效率。

2普通Boost变换器的工作原理

普通Boost变换器的工作电路和工作波形如图1（a）和（b）所示[3]，其工作原理如下，首先认为图1（a）所示升压电感L和输出电容C0很大。当开关管Tr处于开通状态时，整流后得直流电压E向电感L进行充电，电流I1保持恒定；同时输出电容C0上向负载R供电，因C0值很大，所以负载R上的输出电压U0为固定不变。设开关管Tr处于开通状态的时间为ton，这个阶段升压电感L上积蓄的能量为EI1ton。当开关管Tr关断后，整流后的电源E和升压电感L共同向输出电容C0充电，并向负载R提供能量。设开关管Tr关断时间为toff，这个时间段升压电感L释放的能量为（U0- E）I1toff。一个周期之内升压电感L中积蓄的能量与释放的能量相等，即

4两种变换器功率因数校正电路在Pspice

中的建模与仿真

4.1两种变换器的主要元器件参数取值

普通Boost变换器和BoostZVT变换器的电路设计技术指标都相同，其中输入电压：单相交流220±10%V；输入频率：50Hz；输出电压：直流400V；最大输出功率：3KW；功率因数：99%；开关频率：f=100kHz。从上面分析可以知道普通Boost变换器和BoostZVT变换器的电路的升压电感L和输出电容C0取值完全相同，唯一不同的是BoostZVT变换器需要计算谐振电感Lr和谐振电容Cr。根据参考文献[5]和[6]，利用电路知识可以计算出升压电感L为0.2mH，输出电容C0为3429μF，谐振电感Lr为30.5μH，谐振电容为130pF。

4.2仿真结果分析

其中图6（a）和（b）为普通Boost变换器和BoostZVT变换器的主开关管和辅助驱动电压仿真波形，从图6（a）可以看出普通Boost变换器只有一个开关管Tr，没有辅助开关管Tr1，而且只要给它一个驱动脉冲Tr就会处于开通状态；从图6 （b） 可以看出BoostZVT变换器有一个主开关管Tr和一个辅助开关管Tr1，图6 （b）中的仿真波形显示了主开关管Tr是在辅助开关管Tr1关断后才开通的，而且辅助开关管导通时间很短，显著地减少了开关管Tr1的开关损耗。

图7（a）和（b）为普通Boost变换器和BoostZVT变换器的主开关管Tr驱动波形Vgs，漏源电流波形Ids以及漏源电压Vds仿真波形图。从图7（a）可以看到普通Boost变换器的工作过程，当开关管有驱动脉冲时，开关管Tr电流上升，而开关管Tr两端电压为零；无驱动脉冲时，开关管Tr电流为零，而开关管Tr两端电压电压上升。 从图7（b）可以看到BoostZVT变换器的工作过程，图7（b）中可以看到主开关管Tr在开通前先有电流反向流过其体内二极管，使漏极电压箝位到零，再加驱动脉冲从而实现主开关管Tr零电压开通。当驱动脉冲变为零时，由于主开关管漏源极两端并联着谐振电容，使得主开关管漏源两端的电压缓慢上升，从而实现主开关管Tr零电压关断。即使开关管在高频率工作状态下损耗依然很小，故对开关频率的限制大大减小。从图图7（a）和（b）的仿真结果可以得出以下结论：BoostZVT变换器主开关工作在软开关状态，即零电压开通和零电流关断，而普通Boost变换器主开关管工作在硬开关状态，因此BoostZVT变换器的效率明显高于普通Boost变换器的效率，从而提升系统的工作效率。

图8（a）和（b）为普通Boost变换器和BoostZVT变换器的输入交流电压和电流波形仿真波形图，从图8（a）和（b）中可以清楚的看到输入电流很好跟随交流输入电压，也能看出是完整的正弦波，无畸变，两种电路都能实现功率因数校正的目的。

图9（a）和（b）为普通Boost变换器和BoostZVT变换器的输出电流与输出电压仿真波形，从图9（a）和（b）中可以得出输出电压与输出电流保持相对稳定，可靠性高，并且输出电压很好达到了设计所要求的400V。

5结论

综上所述：通过普通Boost变换器和BoostZVT变换器的仿真结果及分析可以得知，基于硬开关的Boost变换器中的开关器件在高电压，大电流下导通和关断，会产生较大的开关损耗，降低变换器的效率，并且限制了开关频率的提高。而基于软开关的Boost-ZVT变换器可使主开关处于软开通状态，降低了开关损耗，同时也可使开关频率大大提升，从而使Boost电路的应用范围变的更加广泛。

参考文献

[1]任海鹏，刘丁.基于Matlab 的PFC Boost 变换器仿真研究和实验验证[J].电工技术学报2006，21（5）：29-35.

[2]荣军，李一鸣，丁跃浇，等.改进型BoostZVT_PWM有源功率因数校正电路技术[J].2011，5：39-42，54.

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]路秋生.功率因素校正技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2006

[5]荣军.升压ZVT_PWM转换器在单相功率因数校正中的应用[J].电子设计应用，2007，11：116-118.

[6]荣军，李一鸣. Boost ZVTPWM变换器在单相功率因数校正的应用[J]. 船电技术， 2010，30（9）：31 -34.

[7]赵雅兴.PSpice与电子器件模型[M].北京：北京邮电大学出版社M2004.9.

[8]吴建强.PSpice仿真实践[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001.4.