一种有源箝位交错并联Boost电路的研究

胡培民， 翁晓光， 王勤

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210000)



一种有源箝位交错并联Boost电路的研究

胡培民， 翁晓光， 王勤

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210000)

为提高Boost变换器传输效率，提出了一种运用辅助电感和箝位电路实现交错并联Boost电路软开关的拓扑结构，变换器不仅实现了主开关管的零电流开通和零电压关断，大大减少了二极管的反向恢复电流带来的能量损耗。同时实现了辅助开关管的零电压开关,降低了附加损耗。在原理仿真的基础上，设计试制了一台实验样机。实验结果给出了开关管波形，验证了软开关功能的实现。

Boost；交错并联；软开关；有源箝位；反向恢复

0 引 言

新能源和锂电池技术由于无污染，绿色环保得到广泛关注和运用[1]。但新能源和锂电池的输出电压一般都比较低，而且新能源电压变换范围较宽，一般需要经过升压DC/DC变换器之后，才适合输入后级逆变器。Boost电路有着输入电流连续，拓扑精简、效率高的特点，通常运用在PFC电路中[2]，是一个合适的拓扑选择。而随着越来越高的功率等级需求，通常采用多路Boost电路交错并联的技术。该技术每路电流仅有原来的几分之一，即可以减小输出电流纹波，保护了电源和负载，又可以降低开关损耗和减小电感体积[3]。交错并联技术虽然可以降低开关损耗，但是开关管仍工作在硬开关状态，开关损耗较大，引起严重的EMI问题[4]。文献[5]实现了零电流开通，但是主开关管仍然是硬关断。

文中将两个Boost电路交错并联，再附加辅助电感和有源箝位电路，提出了一种新型的交错并联Boost拓扑。与传统Boost电路相比，该变换器的所有功率开关管在整个开关周期都处于软开关工作状态，减少了开关损耗，提高了变换器的效率。箝位电路的存在，消除了二极管反向恢复电流问题，也提高了这部分的关断损耗。整体上提升了整个变换器的效率。

1 电路拓扑及工作原理

1.1 变换器拓扑结构

有源交错并联Boost电路如图1所示，图中Q1、Q3是主开关管，L1和L2是完全相同的两个电感，Ls是辅助电感，Q2和Q3是实现软开关的辅助开关管，C1和C2是辅助电容。

图1 有源交错并联Boost电路

1.2 工作模态分析

交错并联Boost电路的开关过程如图2所示，波形如图3所示。分析之前假设:①所有器件为理想器件；②L1=L2；3.输出电压恒定不变。另外由于电路的对称特点，因此本文仅分析Q1一路的换流过程，具体分析如下：

(1) 阶段1(t0～t1)，在t0-时，所有开关管均关断，整流二极管D2导通。t0时刻，Q1导通，L1两端为输入电压，故电流上升，由于iQ1=iL1-iLs，而L1、Ls上的电路均不能突变，因此Q1的电流缓慢上升，实现了零电流开通。此时各电感电流中iL1上升，iL2下降，iLs下降，电流变化率为:

(2) 阶段2(t1～t2)，Ls的电压下降到零并在输出电压的作用下，开始反向增长。当增长到iLs=iL2，二极管D2截至。电容C2开始与Ls谐振，将C2的能量经过Q4的体二极管转移到Ls上，Ls上的电流继续上升。

图2 拓扑稳态工作模态等效电路

图3 拓扑稳态工作模态波形图

(3) 阶段3(t2～t3)，t2时刻，C2的电压降低为0，Q4体二极管关断，Q3体二极管导通，使得C2的电压被箝位在0。L2和Ls串联，电流开始上升，上升速率为:

(4) 阶段4(t3～t4)，t3时刻辅助开关管Q2导通，导通前两端电压被导通的主开关管Q1箝位在零，实现了零电压开通。Q2开通不影响主电路。

(5) 阶段5(t4～t5)，t4时刻，开关管Q1关断，L1和Ls上的电流对C1充电，因此Q1两端的电压从零开始缓慢增长，实现了零电压关断。其中:

(6) 阶段6(t5～t6)t5时刻，C1的电压上升到输出电压，二极管D1导通，并将C1箝位在输出电压Ubus。电感L1、Ls的电流开始下降，L2继续上升，变化率为：

(7) 阶段7(t6～t7)t6时刻，iL2=iLs，Q3的体二极管关断，L1、L2、Ls电流均下降，变化率为:

(8) 阶段8(t7～t8)t7时刻，开关Q2关断，因为C1箝位在输出电压，实现零电压关断。该过程不影响主电路。

t8时刻，Q3导通，电路的对称性可推断过程与Q1相似，这里不再具体分析。波形图如图3所示。

2 关键参数设计与讨论

2.1 辅助电感Ls设计

电路中L1、L2、Cbus都可依据纹波要求按照传统规则设计，而辅助电感Ls成为变换器设计的核心部分。辅助电感取决于主开关管开通时间，保证开关频率达100 kHz不影响正常电路工作以及交错换流。综合L1上伏秒平衡公式[6]：

UbatΔt1+(Ubat-Ubus)Δt2+

其中Δt1、Δt2、Δt3、Δt4是L1上电流在Q1开通时依次上升下降时间。由此综合考虑，L1=L2=22 μH,Ls=4 μH。

2.2 辅助管脉冲宽度设计

辅助开关管Q2、Q4的脉宽设计，取决于主开关管Q1和Q2实现零电压关断需要的时间，又要在对称主开关管开通前关闭。本设计中辅助管先于主开关管开通Δt1=0.5 μs，后于主开关管关断Δt2=1.0 μs。

2.3 辅助电容设计

由上述模态分析可知，辅助电容C1、C2越大，可以减少关断损耗，但是同时储存的能量(1/2CU2) 越多，和电感Ls谐振时的电流峰值越大，会造成导通损耗的增加，因此需要综合考虑。最终选取2.2 nF。

3 实验验证

为验证原理，研制了一台原理样机，参数为：四个开关管为型号IRFP4468PBF的MOSFET(100 V，95 A)，二极管选用STPS60150C的肖特基二极管(150 V，60 A)，其他参数是输入12 V，输出15 V，开关频率100 kHz。实验结果如下：

如图4(a)所示，主开关管实现了零电流开通，关断过程只有一个很小的重叠区域，验证了实验原理，实现了软开关的功能。

图4 开关管软开关相关波形

如图4(b)所示，辅助开关管在开通和关断时刻都实现了ZVS，因此辅助开关管的使用并未带来过多的开关损耗，与原理相符合，验证了前文的分析，肯定了拓扑的价值。

4 结束语

本文提出了一种新型的交错并联软开关Boost电路，实现了零电流开通和零电压关断，消除了二极管反向恢复问题，极大的改善了硬开关具有的EMI等问题。辅助开关管也实现了ZVS，整体上提高了拓扑效率。

[1] 钱照明，何湘宁. 电力电子技术及其应用的最新发展(一)[J]. 中国电机工程学报, 1997, 17(6)：361-366.

[2] 王山山, 柳绪丹, 胡长生. 峰值控制交错并联Boost PFC的设计[J]. 机电工程, 2010, 27(08):88-90.

[3] 吴小田. 一种高升压比DC/DC变换器设计[D]. 杭州：浙江大学, 2012.

[4] 姚源. 基于副边移相控制的软开关DC/DC变流器研究[D]. 杭州：浙江大学, 2014.

[5] LEE P W, LEE Y S, CHENG D K W, et al. Steady-state analysis of an interleaved boost converter with coupled inductors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(4):787-795.

[6] SANJAYA MANIKTALA. 精通开关电源设计[M].2版.北京：人民邮电出版社，2015.

[7] CORRADINI L, SELTZER D, BLOOMQUIST D, et al. Minimum current operation of bidirectional dual-bridge series resonant DC/DC converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(7):3266-3276.

[8] 胡亮, 朱忠尼, 林洁,等. 一种带有软开关的交错并联变换器[J]. 电力电子技术, 2011,45(4):25-27.

Study on an Active-Clamped Interleaved Boost Circuit

Hu Peimin, Weng Xiaoguang, Wang Qin

(Automation College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000, China)

To improve the transmission efficiency of the Boost converter, this paper presents a topological structure using an auxiliary inductor and clamping circuit to realize soft switching of the interleaved Boost circuit. The converter does not only achieve zero current turning-on and zero voltage turning-off of the main switch tube, thus greatly reducing the energy loss caused by the reverse-recovery current of the diode, it also realizes zero voltage switching of the auxiliary switching tube and reduces additional loss. On the basis of the principle of emulating, an experimental prototype is designed and made. Experimental results give the waveform of the switching tube and verify realization of the function of soft switching.

Boost; interleaving; soft switching; active clamp; reverse recovery

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.006

TM461

A

1000-3886(2016)04-0019-02

胡培民(1991- ) 男，江苏南京人，硕士生，研究方向为多能源联合供电及软开关直-直变换器。 翁晓光(1973- ) 女，江苏南京人，副教授，硕士生导师，研究方向为电工理论与新技术。

定稿日期: 2015-12-23