新型Buck軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)與仿真

賈貴璽 張春雁 肖有文 趙惠超

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)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(chǎng)合。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)中加入軟開(kāi)關(guān)電路,可以提高開(kāi)關(guān)頻率，減小充電器體積，提高功率密度，同時(shí)也利于減小電磁干擾。許多文獻(xiàn)已對(duì) Buck變換電路的軟開(kāi)關(guān)進(jìn)行了研究[1-3]。本文主要研究Buck變換器的軟開(kāi)關(guān)電路，并通過(guò)仿真尋找軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。

常見(jiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路有準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)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(duì)開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)并聯(lián)，諧振過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程。

設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示，在主開(kāi)關(guān) S1導(dǎo)通前，先使輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)S1零電壓開(kāi)通；在輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)S2零電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程分析

下面對(duì)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作過(guò)程做具體的分析，并通過(guò)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。將輔助開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷時(shí)刻作為時(shí)間起始時(shí)刻t0，此時(shí)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(dòng)很小。圖2a至圖2j為軟開(kāi)關(guān)過(guò)程動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖3為軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中各元器件理想化波形。圖2與圖3是相互對(duì)應(yīng)的。

圖2 軟開(kāi)關(guān)過(guò)程動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Dynamic structures of soft-switching operation

如圖 2a所示，t0時(shí)刻開(kāi)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(gè)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(kāi)關(guān)管S2等效并聯(lián)電容 C2充電電流 iC2、開(kāi)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(shí)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(kāi)關(guān)理想化波形Fig.3 Idealized waveforms of the ZVS

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

t1時(shí)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(shí)間段t1-t0時(shí)長(zhǎng)如下式

t1時(shí)刻與S1反并聯(lián)的二極管VD1開(kāi)始導(dǎo)通,如圖2b所示，開(kāi)關(guān)管 S1上的電壓為反并聯(lián)二極管 VD1管壓降，此時(shí) S1達(dá)到零電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)諧振，電流峰值必須滿足如下條件

t2時(shí)刻對(duì) S1施加觸發(fā)信號(hào)，如圖 2c所示。由于此時(shí)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(guò)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(shí)刻 iLr=i0，如圖2d所示。流過(guò)S1的正向電流 i1開(kāi)始從零逐步增大,而諧振電流 iLr開(kāi)始逐步減小，此時(shí)電源E與諧振電路共同為負(fù)載提供能量，iLr與uCr開(kāi)始逐漸減小。它們之間滿足如下關(guān)系

t4時(shí)刻 i1=i0，iLr=0，uCr也減小到最小值 Umin，如圖 2e所示。在這段時(shí)間內(nèi)，流過(guò) 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(guò)諧振電感的電流iLr反向增大，同時(shí)對(duì)諧振電容充電,其電壓從最小值 Umin開(kāi)始增大,直到 t5時(shí)刻對(duì)S1施加關(guān)斷。t4-t5時(shí)間段電路諧振過(guò)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(jì)算得到

式中， 1為電路諧振頻率。

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

由于開(kāi)關(guān)的關(guān)斷需要一段恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)由于電感續(xù)流作用，t5時(shí)刻S1并不能立刻關(guān)斷，流過(guò)開(kāi)關(guān) S1的電流逐漸減小，如圖 2f所示。電源開(kāi)始對(duì)C1充電，同時(shí) C2通過(guò)諧振電路開(kāi)始放電，C1與C2的充放電電流速率相等。t6時(shí)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(duì)諧振電路放電滿足如下關(guān)系

t6時(shí)刻，如圖 2g所示，iLr電流通過(guò)與 S2反并聯(lián)的二極管VD2續(xù)流，同時(shí)主電路電感及負(fù)載也通過(guò)二極管 VD2續(xù)流，此時(shí)電容 C0上儲(chǔ)存的能量開(kāi)始釋放，假設(shè)i0近似為恒定值。在這段時(shí)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(shí)刻后S2達(dá)到了零電壓開(kāi)通條件。

t7時(shí)刻 S2導(dǎo)通，如圖 2h所示，開(kāi)通過(guò)程為零電壓開(kāi)通。該時(shí)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(guò)與S2反并聯(lián)的二極管VD2續(xù)流。t8時(shí)刻反向電流iLr=0，此時(shí)諧振電容電壓值也達(dá)到最大值Umax。假設(shè)與開(kāi)關(guān)S2并聯(lián)的等效電容 C2的放電對(duì)諧振電流的影響可以忽略不計(jì)，同時(shí)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(shí)刻 uCr=Umax，iLr=0。

t8時(shí)刻，諧振電容 Cr開(kāi)始通過(guò) 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(guò) 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(shí)刻S2關(guān)斷時(shí)，諧振電流最大值iLr=Ipk，該值必須滿足式（4）條件。通過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)提供參考。至此完成了一個(gè)周期的過(guò)程。圖2j即開(kāi)始一個(gè)新的周期，電路工作情況同圖2a。

3 Buck軟開(kāi)關(guān)電路的仿真研究

本文運(yùn)用Pspice對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。Pspice是一個(gè)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(yǔ)言，將電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，即可利用該軟件對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)S1零電壓開(kāi)通與關(guān)斷圖Fig.5 Waveform the switch S1 zero voltage turned on and off

圖6 開(kāi)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(kāi)關(guān)S2零電壓開(kāi)通與關(guān)斷圖Fig.7 Waveform the switch S2 zero voltage turned on and off

圖4所示，開(kāi)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(shí)S1兩端電壓為二極管VD1的管壓降，S1零電壓開(kāi)通。由于等效電容C1的作用，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷時(shí)為零電壓關(guān)斷，如圖5所示。同樣地，如圖6所示，開(kāi)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(shí) S2兩端電壓為二極管 VD2的管壓降，S2零電壓開(kāi)通。由于等效電容C2的作用，開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷時(shí)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(kāi)關(guān)電路可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將零電壓轉(zhuǎn)換 PWM 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)運(yùn)用到Buck變換電路中，設(shè)計(jì)了一種Buck軟開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，由于諧振電路與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，因而諧振過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程，對(duì)軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件進(jìn)行了深入研究；并推導(dǎo)了軟開(kāi)關(guān)電路諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)以及輔助開(kāi)關(guān) S2最小占空比的計(jì)算。最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。

通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以減小開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)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(jì)中在能夠滿足軟開(kāi)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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