改進軟開關Buck ZCT－PWM開關電路設計及其Pspice 仿真

蘇 盈

（西南交通大學，四川 成都610031）

0 引 言

通常，在硬開關過程中，會產生較大的開關損耗和開關噪聲［1］。開關損耗隨著開關頻率的提高而增加，使電路效率下降。針對這些問題出現了軟開關技術，降低了開關損耗，使變換器朝高頻化方向發展。零電流轉換ZCT（Zero Current Transition）軟開關技術［2］在Buck 變換器中的應用基本上解決了由于硬開關工作方式所帶來的問題，但是典型的零電流轉換PWM變換電路只實現了主開關管的零電流關斷，而輔助開關管工作于硬開關狀態，因而影響了變換器的性能。本文在研究典型ZCT－PWM Buck 變換器的基礎上，針對其存在的問題，提出了一種改進電路，根據開關管實現軟開關所需條件和變換器整體性能指標，設計了電路參數，并進行了仿真。結果表明改進電路能較好地實現輔助開關的零電流關斷，提高變換器的效率。

1 典型ZCT＿PWM Buck 變換器

典型ZCT＿PWM Buck 變換器如圖1 所示，主開關管S1先于輔開關管S2導通，由諧振電容Cr、諧振電感Lr、輔助開關管S2和主開關管S1組成的諧振回路使得S1上的電流iS1下降到零，S1的反并聯二極管D1導通，在這期間關斷S1可實現零電流關斷。

圖1 典型Buck 型ZCT－PWM 電路

在ZCT－PWM電路中，當主開關管S1導通時，電流迅速地從主二極管D 中轉到S1上，沒有實現軟開通，因此主開關管的開通損耗很大。同樣，當主開關管關斷后，電壓源通過S2、Cr和Lr向負載供電，這時關斷S2會產生較大的關斷損耗，并且會產生諧波干擾其它元件上的電壓和電流。

2 改進ZCT－PWM Buck 電路及工作原理

改進后的拓撲如圖2 所示。其中S1為主開關管，S2為輔開關管，D 為主二極管，Lr和Cr分別是輸出濾波電感和濾波電容，諧振回路由輔助開關管S2，諧振電容Cr、諧振電感Lr和主開關S1的反并聯二極管D1組成，它為主開關S1的關斷創造零電流條件。圖3 為新型ZCT－PWM Buck 電路主要工作波形。

圖2 改進型ZCT－PWM Buck 電路

圖3 改進型ZCT－PWM Buck 電路主要工作波形

在分析該Buck 變換器的工作原理之前，先作如下基本假設：（1）變換器工作已達穩態；（2）所有開關器件都是理想的；（3 ）輸入電壓Uin恒定；（4 ）輸出濾波電感Lf足夠大，故在一個開關周期內，濾波電感電流iLf可以看作是恒定的，即iLf（t ）＝ILf；（5 ）輸出電壓的紋波與其平均值相比小得多，即在一個周期中輸出電壓U0保持不變。

基于上述假設，該變換器在一個周期中的工況可以分為以下模態，各模態對應的等效電路和主要波形分析如下：

（1）模態1 ：t0～t1階段

在t ＜t0時，主開關管S1和輔開關管S2均處于關斷狀態，等效電路圖如圖10 ，主二極管D 和諧振電感Lr續流。電感Lf上流過的電流為ILf，uCr＝Ui。在t＝t0時，S1開啟，等效電路圖如圖4 ，由于電感Lr上的電流不能突變，所以S1實現零電流導通。

圖4 t0～t1 階段等效電路

主開關管S1上電流iS1上升，諧振電容Cr與諧振電感Lr通過S2的反并聯二極管和S1形成諧振回路：Lr—→D2—→Cr—→S1。在t ＝t1時，流過主二極管 D的電流線性下降到零，有效抑制D 的反向恢復電流，D近似零電流關斷。

在這一階段，主開關管S1上的電流iS1、諧振電容Cr 和諧振電感Lr 上的電流表達式分別為：

（2）模態2 ：t1～t2階段

其等效電路圖如圖5 所示。由主開關管S1、諧振電感Lr、諧振電容Cr和D2組成的諧振回路Lr—→D2—→Cr—→S2繼續諧振，直到uCr＝0，這時iS1達到最大值：

之后，Cr被反向充電，此過程一直持續到iLr＝0諧振過程結束。

圖5 t1 ～t2 階段等效電路

（3）模態3 ：t2～t3階段

等效電路圖如圖6 所示。在這一階段，電路的工作方式與基本的Buck 型變換器在開關導通的工作狀態相同，該時間長度由PWM控制決定。

圖6 t2 ～t3 階段等效電路

（4）模態4 ：t3～t4階段

在t ＝t3時，輔助開關管S2開通，電路如圖7 所示。由于Lr的電流不能突變，S2近似實現零電流開通。諧振電感Lr和諧振電容Cr開始諧振，諧振電路為：Cr—→S2—→Lr—→S1。

圖7 t3 ～t4 階段等效電路

在這一階段，諧振電流iLr和諧振電容電壓可表示為：

在t ＝t4時，諧振電感電流上升至ILf，主開關管電流iS1下降到零。

（5）模態5 ：t4～t5階段

圖8 t4 ～t5 階段等效電路

在t ＝t4時，主開關管S1的反并聯二極管D1導通，諧振電容Cr和諧振電感Lr繼續諧振，諧振回路為：Cr—→S2—→Lr—→D1。等效電路圖如圖8 所示：同樣有：

在t ＝t5時，iLr經過最大值后下降到ILf，Cr被正向充電，流經D1的電流減小到零，D1自然關斷。在這一階段關斷S1可實現零電流關斷。

（6）模態6 ：t5～t6階段

等效電路圖如圖9 所示。

圖9 t5 ～t6 階段等效電路

在這一階段，電源Uin向 Cr充電，知道uCr＝Ui，這時主二極管D 兩端電壓下降到零，實現零電壓導通，諧振電感Cr的電壓被箝位在Ui。在t ＝t6時，主二極管D 電流上升到ILf，iS2下降到零，這時關斷S2 可實現輔助開關管的零電流關斷。

（7）模態7 ：t6～t7階段

電路等效如圖10 。在這一階段主二極管D 續流，電路工作模式與基本Buck 變換器關斷狀態相同，時間長度由PWM控制決定。該階段結束，一個開關周期結束。

圖10 t6 ～t7 階段等效電路

3 仿真分析

3.1 設計指標

開關頻率為40 kHz ，直流輸入電壓為40 V，輸出電壓為16 V，負載電阻10 Ω，輸出電壓紋波分量△Uo＜0.5 V，輸出電壓脈動△ipp＜0.05 A。

3.2 電路參數

根據以上對改進電路工作原理的分析，考慮到主輔開關管軟開關所需要的條件，在參數設計過程中應考慮以下幾點：

②諧振電感Lr的選擇應使得S1開通時其上的電流上升速度不要太快。一般可選為S1開通時間的2～3 倍。

根據設計指標和各個參數應滿足的條件選用Lf＝300 μH，Cf＝20 μF，Lr＝8 μH，Cr＝30 μF，采用PSpice 對電路圖進行了仿真，主開關管S1選擇了IRF220 ，輔助開關管S2選擇了IRF235 ，主二極管選擇了D1N1190 。

3.3 仿真結果

圖11 主開關管、輔開關管電流波形和諧振電感電流與諧振電容電壓波形

由圖11 主開關管電流波形可以看出，主開關管S1開通時，電流的上升率受到諧振電感Lr的限制，實現了近似零電流開通，關斷前，與其反并聯的二極管D1導通，S1實現了零電壓零電流關斷。從圖中可看出輔助開關管也實現了零電流開通和關斷。圖12 為輸出濾波電感和輸出電壓波形。可以看出，輸出濾波電感的平均值約為1.6 A，輸出電壓約為16 V。

圖12 輸出濾波電感電流和輸出電壓波形

4 結 論

通過上面的理論分析和仿真結果可以看出，改進型ZCT－PWM Buck 電路中的主開關和輔助開關管都是在零電流條件下完成導通與關斷的，同時主二極管D 也是在零電流條件下關斷的。與基本的Buck 變換器相比，幾乎沒有增加它們的電流電壓應力。此外，改進電路幾乎沒有增加額外的元件，結構簡單，控制方式也較簡單，能在提高變換器效率的基礎上不導致成本明顯上升。

［1］楊 旭，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］王 聰.軟開關功率變換器及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2000.

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［4］長衛平，張曉強.一種新型軟開關BUCK變換器［J ］.中國電機工程學報，2007 ，22（27）：110－115.

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