CN117526684A - 一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路 - Google Patents

一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，该Boost变换器包括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和整流二极管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、一个辅助电容C r 和一个辅助二极管D r 。本发明通过控制辅助电路使得功率MOSFET主开关管S1零电压开通，减小开关损耗，避免硬开关电路中二极管的电流被强迫降低为零的过程，降低二极管的反向恢复损耗，提高变换器的效率。

Description

一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，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
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。
发明内容
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。
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：
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 ；
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。
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。
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：
状态1：时间段[t 0,t 1]，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；
状态2：时间段[t 1,t 2]，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C r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；
状态3：时间段[t 2,t 3]，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 ；
状态4：时间段[t 3 ,t 4 ]，i Lr1(t)+i Lr2(t) =i L (t)；t 3时刻，i ds2(t)=0，辅助开关管S 2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)；
状态5：时间段[t 4 ,t 5]，辅助开关管S 2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；
状态6：时间段[t 5 ,t 6]，i Lr1(t)=i Lr2(t) =i L (t)；t 5时刻，i Lr1(t 5)=i Lr2(t 5) =i L (t 5)，此时i Do (t 5)为0，i Lr1(t 5)为i Lr1(t)在t 5时刻的电流值，i Lr2(t 5)为i Lr2(t)在t 5时刻的电流值，i L (t 5)为i L (t) 在t 5时刻的电流值，i Do (t 5)为i Do (t)在t 5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；
状态7：时间段[t 6 ,t 7]，辅助开关管S2在t 6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；
状态8：时间段[t 7 ,t 8]，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；
状态9：时间段[t 8 ,t 9]，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；
状态10：时间段[t 9 ,t 10]，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[t 5,t 6]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-C S2-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。
作为优选地，状态1：时间段[t 0,t 1]，功率MOSFET主开关管S1开通阶段；
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t 1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；
；
式中i L (t 0)为i L (t)在t 0时刻的电流值。
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；
；
式中i L (t 1)为i L (t)在t 1时刻的电流值。
作为优选地，状态3：时间段[t 2,t 3]，辅助开关管S2反并联二极管导通；
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；
。
作为优选地，状态4中，当辅助开关管S2开通，该过程结束；
；
式中i Lr1(t 3)为i Lr1(t)在t 3时刻的电流值，i Lr2(t 3)为i Lr2(t)在t 3时刻的电流值。
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；
；
式中i Lr1(t 4)为i Lr1(t)在t 4时刻的电流值，i Lr2(t 4)为i Lr2(t)在t 4时刻的电流值。
作为优选地，状态6中，当辅助开关管S2关断时，此过程结束；
；
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；
；
式中i Lr1(t 6)为i Lr1(t)在t 6时刻的电流值，i Lr2(t 6)为i Lr2(t)在t 6时刻的电流值。
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；
；
式中i Lr1(t 7)为i Lr1(t)在t 7时刻的电流值，i Lr2(t 7)为i Lr2(t)在t 7时刻的电流值，i L (t 7)为i L (t)在t 7时刻的电流值；
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。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路的电路图；
图2为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路各工作模态的理论波形；
图3为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路各工作模态等效电路示意图；其中，（a）表示状态1：时间段[t 0,t 1]，（b）表示状态2：时间段[t 1,t 2]，（c）表示状态3：时间段[t 2,t 3]，（d）表示状态4：时间段[t 3 ,t 4 ]，（e）表示状态5：时间段[t 4 ,t 5]，（f）表示状态6：时间段[t 5 ,t 6]，（g）表示状态7：时间段[t 6 ,t 7]，（h）表示状态8：时间段[t 7 , t 8]，（i）表示状态9：时间段[t 8 ,t 9]，（j）表示状态10：时间段[t 9 ,t 10]；
图4为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路中功率主开关管S1的电压、电流仿真图；其中，（a）为电压仿真图，（b）为电流仿真图；
图5为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路中辅助开关管S2的电压、电流仿真图；其中，（a）为电压仿真图，（b）为电流仿真图；
图6为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路仿真效果图；其中，（a）为电压V Cr 仿真图，（b）为电流iL r1 仿真图，（c）为电流iL r2 仿真图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供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 ；
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。
具体地，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。
如图2-图3所示，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：
状态1：时间段[t 0,t 1]，功率MOSFET主开关管S1开通阶段；
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t 1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；
；
式中i L (t 0)为i L (t)在t 0时刻的电流值。
状态2：时间段[t 1,t 2]，功率MOSFET主开关管S1关断；
t 1时刻，功率MOSFET主开关管S1关断，因为寄生电容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C r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。直到辅助开关管S2 的反并联二极管导通，此过程结束。
；
式中i L (t 1)为i L (t)在t 1时刻的电流值。
状态3：时间段[t 2,t 3]，辅助开关管S2反并联二极管导通；
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。
；
状态4：时间段[t 3 ,t 4 ]，i Lr1(t)+i Lr2(t) =i L (t)
t 3时刻，i ds2(t)=0，辅助开关管S 2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)。当辅助开关管S2开通，该过程结束。
；
式中i Lr1(t 3)为i Lr1(t)在t 3时刻的电流值，i Lr2(t 3)为i Lr2(t)在t 3时刻的电流值。
状态5：时间段[t 4 ,t 5]，辅助开关管S 2开通；
i Lr1(t)+i Lr2(t) =i L (t)，i ds2(t 3)=0，i ds2(t 3)为i ds2(t)在t 3时刻的电流值；辅助开关管S 2为零电流开通，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)按(1.5)式的规律变化。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。当i Lr1(t)=i Lr2(t) =i L (t)时，此过程结束。
；
式中i Lr1(t 4)为i Lr1(t)在t 4时刻的电流值，i Lr2(t 4)为i Lr2(t)在t 4时刻的电流值。
状态6：时间段[t 5 ,t 6]，i Lr1(t)=i Lr2(t) =i L (t)；
t 5时刻，i Lr1(t 5)=i Lr2(t 5) =i L (t 5)，此时i Do (t 5)为0，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，可以忽略不计。当辅助开关管S2关断时，此过程结束。
；
式中i Lr1(t 5)为i Lr1(t)在t 5时刻的电流值，i Lr2(t 5)为i Lr2(t)在t 5时刻的电流值，i L (t 5)为i L (t) 在t 5时刻的电流值，i Do (t 5)为i Do (t)在t 5时刻的电流值。
状态7：时间段[t 6 ,t 7]，辅助开关管S2近似零电压关断。
t 6时刻时，辅助开关管S2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。当功率MOSFET主开关管S1的反并联二极管导通时，此过程结束。
；
式中i Lr1(t 6)为i Lr1(t)在t 6时刻的电流值，i Lr2(t 6)为i Lr2(t)在t 6时刻的电流值。
状态8：时间段[t 7 ,t 8]，功率MOSFET主开关管S1的反并联二极管导通。
t 7时刻，功率MOSFET主开关管S1的反并联二极管自然导通，即功率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。当功率MOSFET主开关管S1开通时，此过程结束。
；
式中i Lr1(t 7)为i Lr1(t)在t 7时刻的电流值，i Lr2(t 7)为i Lr2(t)在t 7时刻的电流值，i L (t 7)为i L (t)在t 7时刻的电流值。
状态9：时间段[t 8 ,t 9]，功率MOSFET主开光管S1开通。
功率MOSFET主开光管S1在零电压条件下开通，辅助电感L r1、L r2继续进行换流，其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。
状态10：时间段[t 9 ,t 10]，功率二极管D o 、辅助二极管D r 自然关断。
辅助电感L r1、L r2中电流降至0时，功率二极管D o 、辅助二极管D r 电流线性下降到零，实现了自然关断，避免了硬开关电路中二极管电流被强迫降低为零的过程，从而使二极管的反向恢复电流大大降低。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[t 5,t 6]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-C S2-C r 谐振环路，会产生谐振。该谐振过程的影响几乎可以忽略。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。
根据以上过程，搭建仿真模型用于验证原理分析的正确性和拓扑的有效性，表1为本发明实施例的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路的主要的仿真参数；如图4-图6所示，验证表明，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。
表1 基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路主要仿真参数
；
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，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 ；
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。
2.根据权利要求1所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，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S1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：
状态1：时间段[t 0,t 1]，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；
状态2：时间段[t 1,t 2]，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C r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；
状态3：时间段[t 2,t 3]，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 ；
状态4：时间段[t 3 ,t 4 ]，i Lr1(t)+i Lr2(t) = i L (t)；t 3时刻，i ds2(t)=0，辅助开关管S 2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)；
状态5：时间段[t 4 ,t 5]，辅助开关管 S 2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；
状态6：时间段[t 5 ,t 6]，i Lr1(t)=i Lr2(t) = i L (t)；t 5时刻，i Lr1(t 5)=i Lr2(t 5) = i L (t 5)，此时i Do (t 5)为0，i Lr1(t 5)为i Lr1(t)在t 5时刻的电流值，i Lr2(t 5)为i Lr2(t)在t 5时刻的电流值，i L (t 5)为i L (t) 在t 5时刻的电流值，i Do (t 5)为i Do (t)在t 5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；
状态7：时间段[t 6 ,t 7]，辅助开关管S2在t 6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；
状态8：时间段[t 7 ,t 8]，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；
状态9：时间段[t 8 ,t 9]，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；
状态10：时间段[t 9 ,t 10]，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[t 5,t 6]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- C S2-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。
4.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，状态1：时间段[t 0,t 1]，功率MOSFET主开关管S1开通阶段；
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t 1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；
；
式中i L (t 0)为i L (t)在t 0时刻的电流值。
5.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，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；
；
式中i L (t 1)为i L (t)在t 1时刻的电流值。
6.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，状态3：时间段[t 2,t 3]，辅助开关管S2反并联二极管导通；
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Lr 1、Lr 2的端电压等于箝位电容的电压V cr ，流过辅助电感Lr 1、Lr 2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；
。
7.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，状态4中，当辅助开关管S2开通，该过程结束；
；
式中i Lr1(t 3)为i Lr1(t)在t 3时刻的电流值，i Lr2(t 3)为i Lr2(t)在t 3时刻的电流值。
8.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，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；
；
式中i Lr1(t 4)为i Lr1(t)在t 4时刻的电流值，i Lr2(t 4)为i Lr2(t)在t 4时刻的电流值。
9.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，状态6中，当辅助开关管S2关断时，此过程结束；
；
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；
；
式中i Lr1(t 6)为i Lr1(t)在t 6时刻的电流值，i Lr2(t 6)为i Lr2(t)在t 6时刻的电流值。
10.根据权利要求3所述的基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，状态8中，当功率MOSFET主开关管S1开通时，此过程结束；
；
式中i Lr1(t 7)为i Lr1(t)在t 7时刻的电流值，i Lr2(t 7)为i Lr2(t)在t 7时刻的电流值，i L (t 7)为i L (t)在t 7时刻的电流值；
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。
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