一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路

本发明涉及开关电源，具体涉及一种基于有源钳位的低电流应力软开关boost电路。

背景技术：

1、boost变换器由于其结构简单和便于控制，已被广泛活跃于电动汽车、光伏并网、功率因数校正等领域，为了实现boost变换器的高功率密度，需要提升系统的开关频率，以降低其体积和重量。然而，随着开关频率的上升，传统的boost变换器开关管工作在硬开关状态，不仅会带来更高的开关损耗和二极管反向恢复电流，还会产生严重的电磁干扰。因此，如何减小boost变换器的开关损耗和降低二极管的反向恢复损耗来提高系统效率，成为急需解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于有源钳位的低电流应力软开关boost电路，解决开关管开关损耗高和整流二极管自然换流问题，以提高变换器的效率。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种基于有源钳位的低电流应力软开关boost电路，包含boost主电路和辅助电路；boost主电路包含主电路电感 l、功率mosfet主开关管s1和功率二极管 d o；辅助电路包含一个辅助开关管s2、两个辅助电感 l r1、 l r2、一个箝位电容 c r和一个辅助二极管 d r；

4、所述主电路电感 l一端与输入电源 v in的正极连接，另一端与功率mosfet主开关管s1的漏极、辅助电感 l r1、 l r2的一端以及辅助开关管s2的源极连接，功率mosfet主开关管s1的源极连接输入电源 v in的负极，辅助开关管s2的漏极与箝位电容 c r连接，箝位电容 c r的另一端与辅助电感 l r1的另一端以及功率二极管 d o的阳极连接，辅助电感 l r2的另一端与辅助二极管 d r的阳极连接，功率二极管 d o与辅助二极管 d r的阴极连接输出电源 v o的正极；输出电源 v o的负极连接功率mosfet主开关管s1的源极。

5、作为优选地，所述辅助电感 l r2与辅助二极管 d r串联组成第一支路，所述辅助开关管s2与箝位电容 c r串联组成第二支路，所述第二支路与辅助电感 l r1并联组成第三支路，所述第三支路与功率二极管 d o串联组成第四支路，所述第四支路与功率mosfet主开关s1并联组成第五支路，第五支路与主电路电感 l串联组成第六支路。

6、作为优选地，所述基于有源钳位的低电流应力软开关boost电路的一个开关周期内共包含10个状态，其中，功率mosfet主开关管的导通占空比为 d， l代表主电路电感值， c r代表箝位电容值，箝位电容 c r的两端电压为 v cr， i cr( t)为流过箝位电容 c r的电流， l r1、 l r2分别为两个辅助电感值， i lr1( t)、 i lr2( t)分别为流过辅助电感 l r1、 l r2的电流， i l( t)为流过主电路电感 l的电流， c s1和 c s2分别代表功率mosfet主开关管s1和辅助开关管s2的寄生电容值， v ds1( t)为功率mosfet主开关管s1漏极和源极两端电压， v ds2( t)为辅助开关管s2的漏极和源极两端电压， i ds1( t)、 i ds2( t)分别为流过功率mosfet主开关管s1和辅助开关管s2的漏极和源极的电流， i do( t)为流过功率二极管 d o的电流，输入电压为 v in，输出电压为 v o，开关频率为 f s，开关周期为 t s= 1/ f s；具体如下：

7、状态1：时间段[ t0, t1]，功率mosfet主开关管s1开通阶段；该时间段内，主电路电感 l进行储能；

8、状态2：时间段[ t1, t2]，功率mosfet主开关管s1关断；寄生电容 c s1的电压无法突变，限制了功率mosfet主开关管 s1 端电压的上升率，功率mosfet主开关管s1实现了近似零电压关断；输入电流开始对寄生电容 c s1和箝位电容 cr充电，并对辅助开关管s2的寄生电容 c s2放电， v ds2( t)开始下降；

9、状态3：时间段[ t2, t3]，辅助开关管s2反并联二极管导通，电流将流过辅助开关管s2的反并联二极管，继续给箝位电容 c r充电，功率mosfet主开关管s1关断，其两端电压 v ds1( t)为 v o +v cr；此时辅助电感 l r1、 l r2的端电压等于箝位电容 c r的电压 v cr；

10、状态4：时间段[ t 3 ,t 4]， i lr1( t)+ i lr2( t) = i l( t)； t3时刻， i ds2( t)=0，辅助开关管 s2的反并联二极管反向截止， v ds2( t)= v cr， v ds1( t)= v o；输入侧通过辅助电感 l r2、辅助二极管 d r以及辅助电感 l r1、功率二极管 d o两条回路向输出侧进行能量传输，此时两个辅助电感 l r1、 l r2的端电压为0，流过辅助电感 l r1、 l r2的电流维持 i lr1( t)+ i lr2( t) = i l( t)；

11、状态5：时间段[ t4 ,t5]，辅助开关管 s2在零电流条件下开通，箝位电容 c r开始放电；功率mosfet主开关管s1的端电压为 v ds1( t)= v o+ v cr；辅助电感 l r1、 l r2两端电压变为 v cr，流过辅助电感 l r1、 l r2的电流 i lr1( t)与电流 i lr2( t)规律变化；此时功率mosfet主开关管s1的电流 i ds1( t) 为0，辅助开关管s2的电流 i ds2( t) = i lr1( t)+ i lr2( t)- i l( t)，流过功率二极管 d o的电流为；

12、状态6：时间段[ t5 ,t6]， i lr1( t)= i lr2( t) = i l( t)； t5时刻， i lr1( t5)= i lr2( t5) = i l( t5)，此时 i do( t5)为0， i lr1( t5)为 i lr1( t)在 t5时刻的电流值， i lr2( t5)为 i lr2( t)在 t5时刻的电流值， i l( t5)为 i l( t) 在 t5时刻的电流值， i do( t5)为 i do( t)在 t5时刻的电流值；功率二极管 d o自然关断；辅助电感 l r1的端电压被箝位电容 c r的电压 v cr钳位；在功率二极管 d o关断瞬间，导致功率mosfet主开关管s1的寄生电容进行放电，电流 i ds1( t)会从零开始反向增加，故功率mosfet主开关管s1的 v ds1( t)从 v o +v cr开始下降，辅助电感 l r2的端电压会 v cr开始下降，该时间区间比较短，因此该过程 i lr2( t)增加量非常小，忽略不计；

13、状态7：时间段[ t6 ,t7]，辅助开关管s2在 t6时刻关断，辅助开关管s2的寄生电容 c s2限制了辅助开关管s2的端电压的上升率，故辅助开关管s2近似零电压关断；由于此时，故辅助电感 l r1、 l r2中储存的能量会对功率mosfet主开关管s1的寄生电容 c s1和 c r进行放电，同时对辅助开关管s2的寄生电容 c s2进行充电；此时 i do ( t)= i do( t) - i ds2 ( t)，功率二极管 d o进行续流；

14、状态8：时间段[ t7 ,t8]，功率mosfet主开关管s1的反并联二极管自然导通，功率mosfet主开关管s1满足零电压开通条件；辅助开关管s2的反并联二极管截止，流过功率二极管 d o的电流为 i d( t)= i lr1( t)；故 i ds1( t)<0时，功率mosfet主开关管s1均满足零电压开通条件；

15、状态9：时间段[ t8 ,t9]，功率mosfet主开关管s1在零电压条件下开通，辅助电感 l r1、 l r2继续进行换流；

16、状态10：时间段[ t9 ,t10]，辅助电感 l r1、 l r2中电流降至0，功率二极管 d o、辅助二极管 d r电流线性下降到零，在这过程中， i lr1( t)和 i lr2( t)的下降斜率为 -v o /l r1，在状态6[ t5, t6]时间段内， i lr1( t)> i lr2( t)，故 l r2中的电流会先降至0，辅助二极管 d r会比功率二极管先关断；功率二极管 d o关断之后， i lr1( t)因为存在 l r1- cs2- c r谐振环路，会产生谐振；该谐振过程的影响几乎忽略；电路将会重新回到状态1，进行下一个开关周期的工作过程。

17、作为优选地，状态1：时间段[ t0, t1]，功率mosfet主开关管s1开通阶段；

18、 t 0时刻之前，功率mosfet主开关管s1在零电压条件下开通，且辅助电感 l r1、 l r2电流已完成换流，所以 i lr1( t)= i lr2( t) = 0， i cr( t)=0， v ds2( t)= v cr；该时间段内，主电路电感 l进行储能，其电流变化规律如(1.1)， i l为输入电流平均值；直到 t1时刻，功率mosfet主开关管s1关断，主电路电感 l电流达到最大值；

19、；

20、式中 i l( t0)为 i l( t)在 t0时刻的电流值。

21、作为优选地，状态2中，直到辅助开关管s2 的反并联二极管导通，此过程结束；

22、；

23、式中 i l( t1)为 i l( t)在 t1时刻的电流值。

24、作为优选地，状态3：时间段[ t2, t3]，辅助开关管s2反并联二极管导通；

25、 v ds2( t)降至0，电流将流过辅助开关管s2的反并联二极管，继续给箝位电容 c r充电，功率mosfet主开关管s1关断，其两端电压 v ds1( t)为 v o +v cr；此时辅助电感 l r1、 l r2的端电压等于箝位电容的电压 v cr，流过辅助电感 l r1、 l r2的电流 i lr1( t)与电流 i lr2( t)按(1.3)式的规律变化，基尔霍夫定理可得，流过辅助开关管s2反并联二极管的电流为 i ds2( t) =i l( t) -i lr1( t) -i lr2( t)，能量由输入侧传输至输出侧；当 i lr1( t)+ i lr2( t) = i l( t)时，此过程结束；

26、。

27、作为优选地，状态4中，当辅助开关管s2开通，该过程结束；

28、；

29、式中 i lr1( t3)为 i lr1( t)在 t3时刻的电流值， i lr2( t3)为 i lr2( t)在 t3时刻的电流值。

30、作为优选地，状态5中，流过辅助电感 l r1、 l r2的电流 i lr1( t)与电流 i lr2( t)按(1.5)式的规律变化；当 i lr1( t)= i lr2( t) = i l( t)时，此过程结束；

31、；

32、式中 i lr1( t4)为 i lr1( t)在 t4时刻的电流值， i lr2( t4)为 i lr2( t)在 t4时刻的电流值。

33、作为优选地，状态6中，当辅助开关管s2关断时，此过程结束；

34、；

35、状态7中，当功率mosfet主开关管s1的反并联二极管导通时，此过程结束；

36、；

37、式中 i lr1( t6)为 i lr1( t)在 t6时刻的电流值， i lr2( t6)为 i lr2( t)在 t6时刻的电流值。

38、作为优选地，状态8中，当功率mosfet主开关管s1开通时，此过程结束；

39、；

40、式中 i lr1( t7)为 i lr1( t)在 t7时刻的电流值， i lr2( t7)为 i lr2( t)在 t7时刻的电流值， i l( t7)为 i l( t)在 t7时刻的电流值；

41、状态9中，辅助电感 l r1、 l r2电流变化规律仍为式（1.8）；当辅助电感 l r1、 l r2的电流 i lr1( t)、 i lr2( t)降至0时，该过程结束。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

43、本发明在原电路的基础上仅增加了一个谐振电容、两个辅助电感、一个辅助二极管以及一个辅助开关管实现了功率开关管的软开关，结构简单，电路损耗小，实现了变换器的高效率运行。