Boost电路的一种软开关实现方法

摘要：提出了一种Boost电路软开关实现方法，即同步整流加上电感电流反向。根据两个开关管实现软开关的条件不同，提出了强管和弱管的概念，给出了满足软开关条件的设计方法。一个24V输入，40V/2.5A输出，开关频率为200kHz的同步Boost变换器样机进一步验证了上述方法的正确性，其满载效率达到了96.9％

关键词：升压电路；软开关；同步整流

0 引言

轻小化是目前电源产品追求的目标。而提高开关频率可以减小电感、电容等元件的体积。但是，开关频率提高的瓶颈是器件的开关损耗，于是软开关技术就应运而生。一般，要实现比较理想的软开关效果，都需要有一个或一个以上的辅助开关为主开关创造软开关的条件，同时希望辅助开关本身也能实现软开关。

Boost电路作为一种最基本的DC/DC拓扑而广泛应用于各种电源产品中。由于Boost电路只包含一个开关，所以，要实现软开关往往要附加很多有源或无源的额外电路，增加了变换器的成本，降低了变换器的可靠性。

Boost电路除了有一个开关管外还有一个二极管。在较低压输出的场合，本身就希望用一个MOSFET来替换二极管（同步整流），从而获得比较高的效率。如果能利用这个同步开关作为主开关的辅助管，来创造软开关条件，同时本身又能实现软开关，那将是一个比较好的方案。

本文提出了一种Boost电路实现软开关的方法。该方案适用于输出电压较低的场合。

1 工作原理

图1所示的是具有两个开关管的同步Boost电路。其两个开关互补导通，中间有一定的死区防止共态导通，如图2所示。通常设计中电感上的电流为一个方向，如图2第5个波形所示。考虑到开关的结电容以及死区时间，一个周期可以分为5个阶段，各个阶段的等效电路如图3所示。下面简单描述了电感电流不改变方向的同步Boost电路的工作原理。在这种设计下，S₂可以实现软开关，

图1 同步Boost变换器

图2 电感电流不反向时的主要工作波形

(a)Stagel[t₀,t₁] (b)Stage2[t₁,t₂]

(c)Stage3[t₂,t₃] (d)Stage4[t₃,t₄]

(e)Stage5[t₄,t₅]

图3 电感电流不反向时各阶段等效电路

但是S₁只能工作在硬开关状态。

1）阶段1〔t₀～t₁〕 该阶段，S₁导通，L上承受输入电压，L上的电流线性增加。在t₁时刻，S₁关断，该阶段结束。

2）阶段2〔t₁～t₂〕 S₁关断后，电感电流对S₁的结电容进行充电，使S₂的结电容进行放电，S₂的漏源电压可以近似认为线性下降，直到下降到零，该阶段结束。

3）阶段3〔t₂～t₃〕 当S₂的漏源电压下降到零之后，S₂的寄生二极管就导通，将S₂的漏源电压箝在零电压状态，也就是为S₂的零电压导通创造了条件。

4）阶段4〔t₃～t₄〕 S₂的门极变为高电平，S₂零电压开通。电感L上的电流又流过S₂。L上承受输出电压和输入电压之差，电流线性减小，直到S₂关断，该阶段结束。

5）阶段5〔t₄～t₅〕 此时电感L上的电流方向仍然为正，所以该电流只能转移到S₂的寄生二极管上，而无法对S₁的结电容进行放电。因此，S₁是工作在硬开关状态的。

接着S₁导通，进入下一个周期。从以上的分析可以看到，S₂实现了软开关，但是S₁并没有实现软开关。其原因是S₂关断后，电感上的电流方向是正的，无法使S₁的结电容进行放电。但是，如果将L设计得足够小，让电感电流在S₂关断时为负的，如图4所示，就可以对S₁的结电容进行放电而实现S₁的软开关了。

图4 电感电流反向时的主要工作波形