寄生电容对Boost.docx

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寄生电容对Boost

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本科生毕业设计（论文）寄生电容对BoostZVT-PWM变换器的影响研究学院：

机电与信息工程学院专业：

电气工程与自动化学号：

学生姓名：

指导教师：

（职称）二〇〇九年六月摘要本文主要是研究寄生电容对BoostZVT-PWM变换器的影响。

首先介绍了零电压过渡PWM软开关电路的工作原理，详细分析了寄生电容参数对电路工作过程的影响。

然后应用Matlab软件建立了BoostZVT-PWM变换器的模型，给出了仿真研究结果。

改进的BoostZVT-PWM变换器实现了主开关和辅助开关的软开通和关断，减小了电路的损耗，得到了一些有益的结论，对提高BoostZVT-PWM变换器的实用性具有一定的指导意义。

关键词：

寄生电容；

软开关；

BoostZVT-PWM变换器TheInfluenceofParasiticCapacitancetoBoostZVT-PWMConverterLUOYu-rongAbstractThispassageisaboutthestudyoftheimpactofparasitismcapacitanceoverBoostZVT-PWMconverter.Firstly,itintroducetheoperatingprincipleofthecircuitwhichtobewiththePWMsoft-switchingofZero-Voltage-Transition,andhasdonethedetailanalysingoftheinflurancemakingbytheparameterofparasiticcapacitancetothecircuitcourseofwork.ThesoftwareapplyingMatlabhasbuilttheBoostZVT-PWMconvertermodel,hasgiventheresultstudyingoutsimulating.TheimprovementofBoostZVT-PWMconverterachievesthesoftswitchingandturnoffofmainswitchandauxiliaryswitch,anddiminishethelossesofcircuit,sothatwecanmakesomebeneficialconclusions,anditcertainhasguidingmeaningofimprovingthepragmatismofBoostZVT-PWMconverter.Keyword:

parasiticcapacitance；

soft-switching；

boostzvt-pwmconverter目录1．选题背景12．Matlab在电气系统中的应用12．1Matlab简介12．2Matlab的应用22．3Matlab的优势和特点22．4MATLAB建模43．Boost变换器的研究63．1硬开关技术63．2基本的Boost变换器分析64．BoostZVT-PWM变换器的研究114．1软开关技术114．2软开关电路的分类114．3BoostZVT-PWM变换器的工作原理124．4传统的BoostZVT-PWM变换器拓扑结构存在的问题154．5寄生电容对变换器的影响164．6主开关和辅助开关实现软开关状态分析17结论及尚存在的问题24参考文献25致谢26寄生电容对BoostZVT-PWM变换器的影响研究姓名：

学号：

班级：

1.选题背景自60年代开始得到发展和应用的PWM硬开关功率变换技术，由于具有开关损耗大、开关噪声大和开关管承受电压电流应力大等缺陷，而不能适应现代电力电子技术的高频化、小型化和轻量化的发展需要。

人们不断探讨新的变换技术，以弥补硬开关的不足。

相继出现了：

谐振型开关变换器,包括全谐振、部分谐振和多谐振；

软开关变换器，包括零电压PWM型和零电流PWM型；

零过渡软开关，包括零电压过渡PWM（ZVT-PWM）软开关和零电流过渡PWM（即ZCT-PWM）软开关。

零电压过渡PWM（ZVT-PWM）电路是软开关电路中较成功的一种，它简单、高效、容易实现，而且在很宽的输入电压变化范围和负载电流变化范围内都能保持软开关，特别适用于高压、大电流场合，如PFC电路、DC2DC变换器等，是目前应用最广泛的一种软开关电路。

由于零过渡软开关具有主开关为ZCS或ZVS、续流二极管为ZVS或ZCS、主开关和续流二极管的电流和电压应力小及在宽范围电源电压和负载电流内，均可满足ZCS和ZVS条件，它代表了目前软开关变换技术的最新发展。

为此，本文重点研究ZVT-PWM软开关技术的基本原理及其寄生电容对电路的影响。

随着人们对软开关变换理论的深入研究，直流变换器在高性能、高效率、高可靠性等方面已经取得了很大进展，但仍存在各种各样的缺陷。

近年来出现的零转换变换器（包括零电压转换、零电流转换）综合了软开关变换以及PWM技术的优点，被称为目前最具发展前景和应用的变换器。

代表了软开关变换技术的最新发展方向，但仍有不足之处：

辅助开关是硬关断、损耗很大及EMI噪声大，尤其是关断时电流较大，而且关断后其电压上升较快，仍存在着电压电流重叠关断，损耗也就比较大，从而影响了电路的效率。

因此有必要进行改进研究以寻求改善辅助开关管关断条件的方法。

寄生电容在ZVT-PWM变换器中起着不可忽视的作用，为此作为毕业设计论文我在这里就提出了对寄生电容对BoostZVT-PWM变换器的影响研究，去发掘和探索寄生电容对整个电路的影响和应该如何去改善电路。

本文主要工作包括：

1）变换器的工作原理（Boost型）2）寄生电容对变换器的影响的理论分析3）寄生电容对变换器的影响的仿真研究2.Matlab在电气系统中的应用2.1Matlab简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称和Mathematica、Maple并称为三大数学软件它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用xxxxN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点，xxxx成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对xxxxNC++JAVA的支持，可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中，方便自己以后调用。

此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序用户可以直接进行下载就可以用。

2.2Matlab的应用MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：

1）数值分析2）数值和符号计算3）工程与科学绘图4）控制系统的设计与仿真5）数字图像处理6）数字信号处理7）通讯系统设计与仿真8）财务与金融工程MATLAB的应用范围非常广包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境以解决这些应用领域内特定类型的问题。

2.3Matlab的优势和特点2.3.1Matlab特点1）此高级语言可用于技术计算2）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理3）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题4）数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等5）二维和三维图形函数可用于可视化数据6）各种工具可用于构建自定义的图形用户界面7）各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成。

2.3.2MATLAB的优势1）友好的工作平台和编程环境MATLAB是由一系列工具组成，这些工具方便用户使用MATLAB中的函数和文件，其中许多工具采用的是图形。

用户界面包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。

随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单，而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。

简单的编程环境提供了比较完备的调试系统程序，不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。

用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。

新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式，使之更利于非计算机专业的科技人员使用，而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合，其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。

函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理，在通常情况下可以用它来代替底层编程语言，如C和C++，在计算要求相同的情况下使用，MATLAB的编程工作量会大大减少。

MATLAB的这些函数集包括从最简单、最基本的函数到诸如矩阵特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数，函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

4）出色的图形处理功能图形处理功能。

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来并且可以对图形进行标注和打印。

高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式，作图可用于科学计算和工程绘图新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等）MATLAB同样表现了出色的处理能力，同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数保证了用户不同层次的要求。

另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上，作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。

一般来说它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

目前MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域诸，如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

6）实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码，允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序，另外MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。

MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。

工具箱是MATLAB函数的子程序库每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

7）应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中使用户更方便地控制多个文件和图形窗口，在编程方面支持了函数嵌套有条件中断等，在图形化方面有了更强大的图形标注和处理功能包括对性对起连接注释等，在输入输出方面可以直接向Excel和HDF5进行连接。

2.4MATLAB建模目前MATLAB及其xxxxK可视化仿真平台在控制系统中应用非常广泛，xxxxK具有模块化、可封装、结构图编程以及高度可视化等特性，使仿真建模大大简化，然而在复杂的电气控制系统中如何准确地进行仿真一直是比较困难的问题。

电力电子和电力传动系统中往往包含功率开关和旋转电机，用xxxxK提供的基本模块如开关触发器来构造功率开关非常费力，电机需要抽象成状态空间模型，再加上各环节采用简化的传递函数，很多细节都会被忽略导致仿真模型和实际系统有很大差异而且不能在电气连接上一一对应，使仿真结果不能有效指导系统设计。

从xxxx.2开始推出的电气系统模块库（PowerSystemBlocksetPSB）解决了这一问题，利用电气系统模块库用户不需要自己编程也不需推导系统的数学模型，只需要把所需的电气元件按电气结构进行物理连接。

系统模型的结构非常接近实际电路且电气元件比较全面地反映相应实际元件的电气特性，仿真结果可信度很高。

由于采用了不同的构建方法，电气模块和常规xxxxK模块不能直接互连，它们之间需要接口来传递信号，PSB的输出接口是电压测量模块和电流测量模块，用电压测量模块和电流测量模块的正、负端连接PSB电路，用它们的数据输出端连接xxxxK模块，这样数据便从PSB模块传递到xxxxK模块，PSB中某些模块的某个输入端可以接受来自xxxxK模块的数据信号，如开关类型模块的控制信号输入端能接受xxxxK模块的数据信号作为控制信号，电机的运行参数能够发送给测量模块。

除此之外xxxxK模块的数据信号并不能直接传递给PSB中的模块。

这种构建方法使仿真系统中的电气部分和控制部分隔离，与实际电气传动系统的结构非常接近，因而在一定程度上能反映实际情况。

利用Matlab建模时，首先打开Matlab7.0，然后在文件菜单下新建一个model文件，如图2-1所示。

然后按SimulinkLibraryBrowser按钮，如图2-2所示。

然后选择SimPowerSystems选择有关的电气元件，然后按电气结构进行物理连接。

图2-1新建model图2-2在Simulink选择电气元件3.Boost变换器的研究3.1硬开关技术硬开关损耗大。

开通时开关器件的电流上升和电压下降同时进行如图3-1a所示；

关断时电压上升和电流下降同时进行如图3-1b所示，电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

感性关断电尖峰大。

当器件关断时电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高，此电压加在开关器件两端易造成器件击穿。

容性开通电流尖峰大。

当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内，频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏，另外二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作易产生很大的冲击电流，频率愈高该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。

电磁干扰严重。

随着频率提高电路中的di/dt和dv/dt增大从而导致电磁干扰（EMI）增大影响整流器和周围电子设备的工作。

t0（a）硬开关的开通过程（b）硬开关的关断过程图3-1硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00硬开关开关损耗很大及EMI噪声大，尤其是关断时电流较大，而且关断后其电压上升较快，仍存在着电压电流重叠，关断损耗也就比较大，从而影响了电路的效率。

3.2基本的Boost变换器分析3.2.1升压斩波变换器的线路组成线路由开关S、电感L、电容C组成，如图3-2所示，完成把电压Vs升压到Vo的功能。

图3-2基本的Boost变换器电路（b）由晶体管和二极管组成的Boost变换器电路（a）Boost变换器电路原理图3.2.2工作原理当开关S在位置a时，如图3-3（a）所示电流iL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。

此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，极性上正下负。

由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。

开关S转换到位置b时，构成电路如3-3（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持iL不变。

这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源Vs串联，以高于Vo电压向电容C、负载R供电。

高于Vo时，电容有充电电流；

等于Vo时，充电电流为零；

当Vo有降压趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变。

如表3-1所示。

图3-3Boost变换器电路工作过程（a）T导通（b）T不导通表3-1Boost变换器电路工作时各元件状态表TDLCT导通时截止，防止Vc作用于T自感电动势与Vi相反,随iL值上升L储能增加放电T关闭时导通，使Vi和L之叠加的高电压作用于C及负载自感电动势与Vi相同并叠加升压作用于C与负载,随iL值下降L释放能量充电Boost变换器工作时不能空载，否则会因L上积累的能量不能消耗而导致开关器件损坏。

由于VL+Vs向负载R供电时，Vo高于Vs，故称它为升压变换器。

工作中输入电流is=iL是连续的。

但流经二极管D电流确实脉动的。

由于有C的存在，负载R上仍有稳定、连续的负载电流Io。

3.2.3电路各点波形Boost变换器在运行时电路各点的波形如图3-4所示图3-4Boost变换器电路各点的波形图（b）电感电流不连续（a）电感电流连续3.2.4电感电流连续与不连续之分析1）特性比较电感电流连续与不连续,可由表3-2的特性比较分析得到。

表3-2特性比较项目电感电流连续电感电流不连续出现条件L及PO值适当，在Q导通前L中仍有能量存在L值过小或PO过小，在Q导通前L中有能量已完全释放。

输出电压纹波小大（须较大C值方能减小）输出电流纹波小大（须较大C值方能减小）电感电流连续脉动不连续同PO时iL峰值小大电压增益M（D’为二极管导通占空比,）2）理想与非理想状态曲线分析因为上述是在理想状态下得出的结果，但由于MOSFET管存在寄生电容所以理想与非理想存在差异，由图3-5可分析得到：

图中非理想状态是以RL=RC=0.01R为特例，由该曲线在D=0.88时M最大，其值为4.7；

当D>0.88后M开始下降，故设计BOOST电路时应注意不能出现该曲线下垂的后半边，因通常状况下电路寄生电阻阻值远小于0.01R，故通常取值D<0.88即可。

图3-5理想与非理想状态曲线3.2.5斩波电路的控制方式斩波电路控制方式有三种，如下：

1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton2）频率调制或调频型——ton不变，改变T3）混合型——ton和T都可调，使占空比改变其中PWM控制方式应用最多。

3.2.6仿真的研究在Matlab中对图3-2b的电路进行仿真，如图3-6所示。

图3-6Boost变换器电路建模仿真参数如下：

直流电源采用100V，开关S采用MOSFET管其开关频率设定为100KHZ，脉冲发生器脉冲占空比为50％，Lf电感值为4e-4H，电容Co设定为2.2e-3F，电阻Ro为171Ω。

根据电路的基本原理电感Lf的电流示电感Lf的数值而呈现出正向导通或过零状态。

仿真结果如图3-7和图3-8所示，其中图3-7的电感Lf值为4e-4H，图3-8的电感Lf值为0.0001H。

图3-7Lf电流连续图3-8Lf电流不连续4.BoostZVT-PWM变换器的研究4.1软开关技术理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。

由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。

理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。

同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。

如图4-1所示。

uiP0uitt0uiP0uitt0（a）软开关的开通过程（b）软开关的关断过程图4-1软开关的开关过程软开关开关是在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，降低开关损耗和开关噪声，而且在开通和关断时电压电流基本为零，减少开通与关断损耗，从而提高了电路的效率。

4.2软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。

如下图4-2所示：

图4-2基本开关单元的概念（c）升压斩波器中的基本开关单元（a）基本开关单元（b）降压斩波器中的基本开关单元（d）升降压斩波器中的基本开关单元4.3BoostZVT-PWM变换器的工作原理图4-3是BoostZVT-PWM型拓扑电路。

由图4-3可见，在主开关上除并有谐振电容Cr外,还有一谐振电感支路,由谐振支路电感Lr、辅助开关S1及二极管D1组成。

用Matlab对该电路进行图4-3BoostZVT-PWM型拓扑电路建模，如图4-4所示。

图4-4BoostZVT-PWM型电路建模设储能电感很大，用恒流源Ii代替，输出滤波电容很大，用电压源V0代替。

设t

图4-6是对应的主要波形示意图。

1）T0-T1阶段Lr电流上升阶段。

t=T0,辅助开关S1接通，谐振电感电流线性上升，t=T1时达Ii，二极管D的电流则由Ii线性下降到零（t=T1，D零电流关断,若采用快恢复二极管，可忽略D的反向电流。

这一阶d段Vds不变，如图4-5a。

2）T1-T2阶段谐振阶段。

LrCr谐振，Lr电流由零谐振上升，而Cr电压由Vo谐振下降。

t=T2时，Vcr（即Vds）为0,S的反并联二极管导通，如图4-5b。

3）T2-T3阶段ZVS过渡阶段。

由于S的二极管已导通，创造了ZVS条件，因此应利用这个过渡阶段给S加驱动信号，使S在零电压下导通，如图4-5c。

4）T3-T4阶段iLr线性下降阶段。

t=T31，关断，由于D1导通，S1的电压被钳位在Vo值，Lr的储能释放给负载，其电流线性下降。

t=T4时，iLr=0，如图4-5d。

5）T4-T5阶段is恒流阶段。

t=T4，D1关断，这时变换器如同PWM升压式变换器的功率管导通一样，如图4-5e。

6）T5-T6阶段Cr线性充电阶段。

t=T5，S关断，电源对Cr恒流充电，直至t=T6时，Vcr=Vo，如图4-5f。

7）T6-T0阶段续流阶段。

这个阶段相当于PWM升压式变换器功