賈貴璽 張春雁 肖有文 趙惠超

（天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

Buck拓?fù)潆娐吩趯?shí)際生活中應(yīng)用十分廣泛，尤其是在低電壓大電流應(yīng)用場合。由于結(jié)構(gòu)簡單，Buck電路在便攜式充電器中也得到了普遍應(yīng)用。充電器要求體積小、重量輕、功率密度高，在充電器的設(shè)計中加入軟開關(guān)電路,可以提高開關(guān)頻率，減小充電器體積，提高功率密度，同時也利于減小電磁干擾。許多文獻(xiàn)已對 Buck變換電路的軟開關(guān)進(jìn)行了研究[1-3]。本文主要研究Buck變換器的軟開關(guān)電路，并通過仿真尋找軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。

常見的軟開關(guān)電路有準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換 PWM 電路[4]。準(zhǔn)諧振電路缺點(diǎn)是諧振電壓峰值很高，對開關(guān)器件的耐壓值要求較高；諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率的交換，造成電路通態(tài)損耗增大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變[5-6]。本文提出了一種基于零電壓轉(zhuǎn)換 PWM 電路(Zero Voltage Transition PWM Converter，ZVT PWM)的Buck電路拓?fù)鋱D，其特點(diǎn)是諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振過程基本不受輸入電壓和負(fù)載電流大小的影響，可以在較寬的輸入電壓范圍與負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)過程。

設(shè)計電路的結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示，在主開關(guān) S1導(dǎo)通前，先使輔助開關(guān) S2導(dǎo)通，使得與 S1反并聯(lián)的二極管VD1導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)S1零電壓開通；在輔助開關(guān)S2導(dǎo)通前，先使與S2反并聯(lián)的二極管VD2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)S2零電壓開通。

圖1 Buck零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖Fig.1 Circuit diagram of Buck ZVT PWM

2 軟開關(guān)過程分析

下面對零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作過程做具體的分析，并通過仿真驗(yàn)證設(shè)計的可行性。將輔助開關(guān)S2關(guān)斷時刻作為時間起始時刻t0，此時諧振電感 Lr中的電流達(dá)到最大值 Ipk。并假設(shè)濾波電感 L0足夠大，則負(fù)載電流波動很小。圖2a至圖2j為軟開關(guān)過程動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖3為軟開關(guān)過程中各元器件理想化波形。圖2與圖3是相互對應(yīng)的。

圖2 軟開關(guān)過程動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Dynamic structures of soft-switching operation

如圖 2a所示，t0時刻開關(guān) S2關(guān)斷，諧振電路中的諧振電流 iLr達(dá)到最大值，設(shè)該值為 Ipk。諧振電流分成3個部分：負(fù)載電流i0大小為I0+1/2（di0/dt）（其中di0/dt為負(fù)載電流紋波）、開關(guān)管S2等效并聯(lián)電容 C2充電電流 iC2、開關(guān)管 S1等效并聯(lián)電容 C1放電電流 iC1。C1的放電電流與 C2的充電電流相等（假設(shè)MOS管S1與S2具有相等的等效并聯(lián)電容），設(shè)該電流為 iC，負(fù)載電流 i0=I0+1/2（di0/dt）。該時間段內(nèi)諧振電路為負(fù)載提供電流，為C2提供充電電流，為C1提供放電電流。關(guān)系如下式iLr=2iC+i0（1）

圖3 零電壓開關(guān)理想化波形Fig.3 Idealized waveforms of the ZVS

假設(shè)在t0-t1時間段內(nèi)，諧振電流iLr保持最大值Ipk保持不變，則兩開關(guān)等效電容充放電電流為

t1時刻 C1和 C2充放電結(jié)束，C2兩端的電壓等于電源電壓E，C1兩端電壓為0，該時間段t1-t0時長如下式

t1時刻與S1反并聯(lián)的二極管VD1開始導(dǎo)通,如圖2b所示，開關(guān)管 S1上的電壓為反并聯(lián)二極管 VD1管壓降，此時 S1達(dá)到零電壓開通條件。諧振電感Lr與諧振電容 Cr的大小決定了諧振電流峰值的大小，為實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)諧振，電流峰值必須滿足如下條件

t2時刻對 S1施加觸發(fā)信號，如圖 2c所示。由于此時諧振電流iLr大于負(fù)載電流i0，S1仍舊不能夠立刻導(dǎo)通，繼續(xù)通過與S1反并聯(lián)二極管VD1續(xù)流，向電源反饋能量，諧振電流能量一部分回饋電源另一部分供給負(fù)載。

t3時刻 iLr=i0，如圖2d所示。流過S1的正向電流 i1開始從零逐步增大,而諧振電流 iLr開始逐步減小，此時電源E與諧振電路共同為負(fù)載提供能量，iLr與uCr開始逐漸減小。它們之間滿足如下關(guān)系

t4時刻 i1=i0，iLr=0，uCr也減小到最小值 Umin，如圖 2e所示。在這段時間內(nèi)，流過 S1的電流繼續(xù)增大，一部分為負(fù)載提供能量，另一部分為諧振電路提供能量。其電流滿足以下關(guān)系

流過諧振電感的電流iLr反向增大，同時對諧振電容充電,其電壓從最小值 Umin開始增大,直到 t5時刻對S1施加關(guān)斷。t4-t5時間段電路諧振過程方程如下所示

根據(jù)上式可得到

根據(jù)式（9）初始條件計算得到

式中， 1為電路諧振頻率。

t5時刻對 S1施加關(guān)斷信號，Δt=t5-t3為開關(guān) S1在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間。因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)條件，在t5時刻電源必須為諧振電感與諧振電容儲存足夠的能量，這就限制了Δt的最小值，它決定了主開關(guān)S1的最小占空比，也即決定了輸出電壓的最小值，因而軟開關(guān)的加入一定程度上會減小輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。t5時刻S1關(guān)斷時由于開關(guān)兩端等效電容C1，S1關(guān)斷為零電壓關(guān)斷。

由于開關(guān)的關(guān)斷需要一段恢復(fù)時間，同時由于電感續(xù)流作用，t5時刻S1并不能立刻關(guān)斷，流過開關(guān) S1的電流逐漸減小，如圖 2f所示。電源開始對C1充電，同時 C2通過諧振電路開始放電，C1與C2的充放電電流速率相等。t6時刻電容充放電結(jié)束，C1的電壓達(dá)到最大值E，C2的電壓減小到0，i1=0，諧振電感電流iLr也達(dá)到反向最大值。i1、iC1和負(fù)載電流i0的關(guān)系如下式所示

C2對諧振電路放電滿足如下關(guān)系

t6時刻，如圖 2g所示，iLr電流通過與 S2反并聯(lián)的二極管VD2續(xù)流，同時主電路電感及負(fù)載也通過二極管 VD2續(xù)流，此時電容 C0上儲存的能量開始釋放，假設(shè)i0近似為恒定值。在這段時間間隔內(nèi)，電感上諧振電流 iLr繼續(xù)減小 uCr繼續(xù)增大。t6時刻后S2達(dá)到了零電壓開通條件。

t7時刻 S2導(dǎo)通，如圖 2h所示，開通過程為零電壓開通。該時刻由于諧振電感反向電流仍然不為零，因此諧振電路與主電路仍然通過與S2反并聯(lián)的二極管VD2續(xù)流。t8時刻反向電流iLr=0，此時諧振電容電壓值也達(dá)到最大值Umax。假設(shè)與開關(guān)S2并聯(lián)的等效電容 C2的放電對諧振電流的影響可以忽略不計，同時忽略VD2管壓降，則有以下方程

利用以上方程和初始條件可以求出諧振電容Cr上諧振電壓Umax如式（17）所示，其中Δt=t5-t4，t∈[t6,t8]，t8時刻 uCr=Umax，iLr=0。

t8時刻，諧振電容 Cr開始通過 S2和 Lr放電，諧振電流 iLr正向增大如圖 2i所示。主電路電感與負(fù)載繼續(xù)通過 VD2續(xù)流，輸出濾波電感 C0也繼續(xù)釋放能量。忽略S2管壓降，則有如下方程

由上式可以求出在t9時刻S2關(guān)斷時，諧振電流最大值iLr=Ipk，該值必須滿足式（4）條件。通過確定諧振電容最大值Umax、最小值Umin以及最大諧振電流值Ipk，并利用式（11）、式（12）、式（17）和式（20）確定輔助開關(guān) S2最小占空比Δt=t9-t8及諧振電容與電感參數(shù)，從而為軟開關(guān)電路設(shè)計提供參考。至此完成了一個周期的過程。圖2j即開始一個新的周期，電路工作情況同圖2a。

3 Buck軟開關(guān)電路的仿真研究

本文運(yùn)用Pspice對所設(shè)計電路進(jìn)行仿真。Pspice是一個在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)的通用仿真程序，利用它提供的電路描述語言，將電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)輸入計算機(jī)，即可利用該軟件對電路進(jìn)行各種分析。仿真結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖4 開關(guān)S1導(dǎo)通前與之反并聯(lián)二極管VD1導(dǎo)通圖Fig.4 Waveform of the diode VD1 turned on before the switch S1 turned on

圖5 開關(guān)S1零電壓開通與關(guān)斷圖Fig.5 Waveform the switch S1 zero voltage turned on and off

圖6 開關(guān)S2導(dǎo)通前與之反并聯(lián)二極管VD2導(dǎo)通圖Fig.6 Waveform the diode VD2 turned on before the switch S2 turned on

圖7 開關(guān)S2零電壓開通與關(guān)斷圖Fig.7 Waveform the switch S2 zero voltage turned on and off

圖4所示，開關(guān)S1觸發(fā)導(dǎo)通前，與之反并聯(lián)的二極管VD1先導(dǎo)通，此時S1兩端電壓為二極管VD1的管壓降，S1零電壓開通。由于等效電容C1的作用，開關(guān)S1關(guān)斷時為零電壓關(guān)斷，如圖5所示。同樣地，如圖6所示，開關(guān)S2觸發(fā)導(dǎo)通前，與之反并聯(lián)的二極管 VD2導(dǎo)通，此時 S2兩端電壓為二極管 VD2的管壓降，S2零電壓開通。由于等效電容C2的作用，開關(guān)S2關(guān)斷時為零電壓關(guān)斷，如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，本文提出的 Buck軟開關(guān)電路可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開通和關(guān)斷。

4 結(jié)束語

本文將零電壓轉(zhuǎn)換 PWM 軟開關(guān)技術(shù)運(yùn)用到Buck變換電路中，設(shè)計了一種Buck軟開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開通和關(guān)斷，由于諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，因而諧振過程不受輸入電壓和負(fù)載的影響；且詳細(xì)分析了電路軟開關(guān)過程，對軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件進(jìn)行了深入研究；并推導(dǎo)了軟開關(guān)電路諧振參數(shù)的設(shè)計以及輔助開關(guān) S2最小占空比的計算。最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計的正確性。

通過軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，減小開關(guān)電流與電壓應(yīng)力。但由于諧振環(huán)節(jié)的加入，造成了傳導(dǎo)損耗的增加，因而在應(yīng)用中必須權(quán)衡二者利弊。設(shè)計中在能夠滿足軟開關(guān)的條件下，盡量減小諧振電流與諧振電壓的峰值。

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