丁昕健

（金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169）

1 典型零電壓軟開關(guān)設(shè)計(jì)

圖1 中S 為雙向主功率開關(guān)，S1 為單向輔助功率開關(guān)。Cr，Lr 分別為諧振電容和電感，Lf 和C。為濾波電路，R 為負(fù)載，D 為續(xù)流二極管，為了簡(jiǎn)化分析認(rèn)為元件都是理想的，考慮到濾波電感Lf 較大，認(rèn)為通過它的電基本不變，其值等于負(fù)載電流Io[1]。

圖1 BUCK 零電壓PWM 軟開關(guān)電路圖

該電路在一個(gè)周期內(nèi)可分為五個(gè)工作階段來分析，在To 之前，S，S1 均導(dǎo)通，D 關(guān)斷，通過S，Lr 的電流is 及iLr 均為Io，在To 時(shí)刻S 關(guān)斷，由于Cr 的吸收作用可使零電壓關(guān)斷，在S 關(guān)斷后，電源對(duì)Cr 恒流(Io)充電，D 兩端電壓線性下降，到T1 時(shí)，Cr 充電到Vi，D 兩端電壓為零而導(dǎo)通，在Tl-T2 階段電流源Io 通過D 續(xù)流，電感Lr 中電流通過S1 形成環(huán)流，電感中的能量不能釋放。在T2 時(shí)，S1 由導(dǎo)通到關(guān)斷，S1 關(guān)斷后，Lr，Cr 諧振，貯存在電感中的能量對(duì)Cr 放電，在T3 時(shí)，Cr 兩端電壓回零，由于Vcr 為零，S 內(nèi)藏二極管導(dǎo)通，若此時(shí)開通S，顯然S 具有零電壓開通特性，在T3-T4階段中電源還對(duì)電感補(bǔ)充能量，電感電流線性增加，在T4時(shí)刻，電感電流達(dá)到Io，通過二極管D的電流為零，D 被關(guān)斷，在T4-T0 期間，S、Lr 中電流保持為Io，電感兩端電壓為零，若在此階段使S1 開通，顯然S1 具有零電壓開通特性。

1.1 典型零電壓軟開關(guān)仿真

已知：V1=48V～80V，V0=24V，P0=48～120W，fs=100 kHz，選Xmax=0.8。

求得：Iomin=2A,Iomax=5A,I 半載=3.5A，Mmax=0.5，Mmin=0.3,Z=25.4,wr=1884*103rad/s,Lr=13.5uh,Cr=21nF,3.792us

而I 半載=3.5A>2.97A 說明參數(shù)選擇正確。S、S1 選用IFR245，其參數(shù)VDS=250V，ID=13A，二極管選用MUR1515，耐壓150V，電為15A。本次試驗(yàn)在Matlaba 的simulink 環(huán)境下進(jìn)行。

在I0=3.5A 時(shí)，能滿足零電壓開通條件，在to=5A時(shí)，也能滿足零電壓開通條件，但此時(shí)諧振電容峰值電壓較大，約為3 倍輸入電壓，而在lo=2A 時(shí)，諧振電容電壓在T，時(shí)不能回零，造成主功率開關(guān)S 不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，其原因是負(fù)載較輕，電感Lr貯存能量少，不能使C*上電荷完全釋放，若此時(shí)接通S，C，上電壓通過S 導(dǎo)通電阻形成放電電流（如I.波形中尖峰電流）造成損耗，但由于此時(shí)lo 較少，損耗有限[2]。

1.2 典型零電壓軟開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：損耗相對(duì)較小，工作效率比較高，受到電磁的影響很小，諧振過程只發(fā)生在功率晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中而輸出功率的調(diào)節(jié)是通過改變功率晶體管的占空比實(shí)現(xiàn)的。

缺點(diǎn)：輔助開關(guān)不能實(shí)現(xiàn)零關(guān)斷，那么就會(huì)在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生較大的損耗。無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)的零電壓關(guān)斷，從而使得關(guān)斷損耗大大增加。

2 一種新型的零電壓軟開關(guān)變換器的設(shè)計(jì)與分析

對(duì)于感應(yīng)加熱電源，以往的斬波調(diào)功基本會(huì)借助硬斬波器，以此提高電流諧波分量，增加功率開關(guān)的損耗，這會(huì)在一定程度上避免系統(tǒng)及開關(guān)頻率的增加?；诮┠甑陌l(fā)展，借助軟開關(guān)技術(shù)能夠全面降低功率開關(guān)器件的損耗，這也促使ZVT-PWM 技術(shù)獲得了普及運(yùn)用，其中ZVT-PWM 為零電壓轉(zhuǎn)換一脈寬調(diào)制技術(shù)的簡(jiǎn)稱。因?yàn)槠渥儞Q器輔助電路與開關(guān)之間是并聯(lián)關(guān)系，對(duì)于1 個(gè)開關(guān)周期，在其開通及切斷的情況下，輔助電路才會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，別的時(shí)間電路工作則處于PWM 狀態(tài)，這顯著降低了開關(guān)的損耗[3]。但這種傳統(tǒng)的ZVT-PWM 變換器的輔助開關(guān)是硬關(guān)斷，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。針對(duì)傳統(tǒng)ZVT-PWM變換器的不足，提出了一種新型軟開關(guān)Buck 變換器方案。該變換器下、輔開關(guān)均實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，沒有額外的電壓和電流應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)了一極管的軟換流，大大降低了開關(guān)損耗。

2.1 新型軟開關(guān)Buck 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

有關(guān)電路如圖2 所示，它是PWM Buck 變換器同輔助吸收電路的有機(jī)結(jié)合。輔助吸收電路包含多個(gè)過程部分，如諧振電感、輔助二極管、輔助開等，在圖2中分別為L(zhǎng)、VD1，VD2，VD3、VT 等。

圖2 新型軟開關(guān)的原理圖

2.2 設(shè)計(jì)及仿真

為更好地開展分析工作，提出了下述幾個(gè)假設(shè)情況：

（1）假設(shè)輸入電壓Ui連續(xù)。

（2）假設(shè)輸出電壓U0連續(xù)，以及假設(shè)輸出電容C0相對(duì)較大。

（3）假設(shè)輸出電流I0連續(xù)，以及假設(shè)輸出電感L0相對(duì)較大。

（4）假設(shè)輸出電感L0極大地超出諧振電感Lr。

（5）假設(shè)諧振電路良好。

（6）假設(shè)半導(dǎo)體器件十分理想。

（7）假設(shè)不考慮全部一極管反向恢復(fù)的時(shí)長(zhǎng)。

技術(shù)指標(biāo)：其中包含輸入、輸出電壓、負(fù)載電流及開關(guān)頻率，有關(guān)指標(biāo)依次是220V、80V、20A 以及20kHz。具體設(shè)計(jì)如下所示：

圖4 VT2 的電壓、電流波形

1.諧振電感Lr。如果Lr 太小，那么流經(jīng)Lr 的電流將明顯提高上升速度，將無(wú)法全面防止VD 反向恢復(fù)電流。在工程設(shè)計(jì)中，一般選△t1=t-to=0.01DTs[4]。如此可利用式（1）求出Lr 的值：

其中：D 為占空比；Ts 為采樣周期。

針對(duì)具體電路，并非全部元器件都非常理想，由此，對(duì)于濾波電感Lo 而言，其電流在開關(guān)切斷過程中將逐漸下降。因此，具體開展計(jì)算過程中，可借助L0上電流值來替換（1）中的Io。

2.電容Cr，C1，C2的選擇：

為使VT1零電壓開通，需保證Cr 上電能都轉(zhuǎn)移至Lr 上：

VT1關(guān)斷時(shí)刻，C2上的能量要在tf 時(shí)間內(nèi)移動(dòng)至Lr 上，也就是主開關(guān)切斷的時(shí)間范圍內(nèi)，則：

根據(jù)能量守恒方程：

能夠求出電容C1的值。

本電路采用simulink 對(duì)Buck 變換器電路開展了仿真，參數(shù)為：Lr=3uH，Cr=0.3nF，C1=80nF，C2=23nF，Ui=220V，Uo=80V，I=20A，fs=20kHz。

從圖3 和4 可看出，對(duì)于主輔開關(guān)來看，二者依次可以達(dá)到零電壓以及零電流開通及關(guān)斷[5]。

圖3 VT1 的電壓、電流波形

3 結(jié)論

可以看到，典型零電壓軟開關(guān)電路中無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)的零關(guān)斷，使得關(guān)斷時(shí)的損耗大大增加，不利于開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。

基于典型零電壓軟開關(guān)電路的缺點(diǎn)——無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)的零電壓關(guān)斷，從而使得關(guān)斷損耗大大增加，本文介紹的新型的零電壓軟開關(guān)電路，新型電路可以一起促進(jìn)主輔開關(guān)零電壓開通及關(guān)閉。針對(duì)主開關(guān)，并無(wú)額外電壓及電流應(yīng)力；全部的一極管也都可以達(dá)到軟換流，極大地減小了損耗。

文章對(duì)新型Buck 變換器開展了分析，圍繞其結(jié)構(gòu)以及原理展開了討論，通過有關(guān)仿真結(jié)果可知，主輔開關(guān)依次可以達(dá)到零電壓及零電流開通以及關(guān)斷，由此將極大地降低開關(guān)損耗；針對(duì)主開關(guān)，在這之上并未形成額外電壓以及電流應(yīng)力；全部一極管還都可以達(dá)到軟換流，在很大程度上減小了損耗，對(duì)于這方面的研究可以為有關(guān)感應(yīng)加熱電源軟斬波的運(yùn)用提供一定的借鑒。