基于耦合電感軟開關BUCK變換器的探討

吳玉聰 公誠管理咨詢有限公司

引言：BUCK是一種最基礎的開關變換器。鑒于它的優質特性，目前已經在多個領域得到了廣泛應用。伴隨著現代電子技術的快速發展，小型化、輕質化、高可靠性以及高功率密度已經成為其未來的重要發展方向，同時必然伴隨著更高的開關頻率。然而實際工作中，開關頻率的提升，不但會提升轉換器開關元器件的損耗，還會降低轉換器的效率，從而影響其性能。軟件開關技術方面，為了更好地解決這一問題，可以采用零電壓開關或零電流開關的狀態，從而有效抑制對電壓和電流開關元件的影響。同時，開關元件對電力的消耗降低，其效率和變換器的穩定性會有所提高。軟件開關技術的實現，減少了散熱裝置的數量，雖然開關頻率有所提升，但是負荷量卻相應減少。在此背景下，可以采用零電壓和電流開關來改良轉換器。基于耦合電感的軟開關BUCK變換器不但應用了軟交換技術，還提升了開關關轉換器的效率，使得相關設備的操控變得更加簡單。

1 軟開關BUCK變換器原理

本文對大量的BUCK軟開關變換器進行研究，通過對這些變換器的對比、分析以及總結，認為提出的BUCK變換器具有更好的效果，其效果圖如圖1所示。

圖1 BUCK軟開關變換器

從圖1得知，S1為電源開關，二極管D1、D2是續流和輔助二極管，L1和L2相結合構成耦合電感，L3是過濾器。在軟件開關降壓轉換器內實現了全部開關元件的軟件開關技術，完成了零電壓開通以及零點六關斷的重要技術。作為主開關管S1的開口部的電流變為零，實現了連續電流二極管D1的開通以及關斷的零電壓和零電流，同時實現了輔助二極管D2開通和關斷的零電流與零電壓。這樣在軟件開關狀態下，可事先將所有的開關元件開通和斷開，從整體上提升了變換器的使用效率。

由相關研究可知，軟開關BUCK轉換器是需要間歇地在導通模式下操作的軟件開關。因此，實際運行中濾光器L3的值需要減小。濾光器L3阻塞值組合的互通器可以在DCM下工作，且濾光器的值無限趨近于零時，連續電流二極管D1支路基本上不會發揮任何作用。因此，使用連續電流二極管D1的連接器代替的濾光器，在相反的電源開關中集成二極管，得到了改良型開關。圖2顯示了zerovoltageswching（zva）和零電流開關（zericurridswching，zcs）的BUC變換器的拓撲結構。

圖2 改進型ZVS-ZCSBuck變換器

S1為電源開關，Mosfet Ds是電源開關管Mosfet的集成。耦合電感器為圖2中的L1和L2，Cr為共振電容器一連續電流二極管，零電壓和逆并聯二極管Ds clampin作為開關。

改良型軟件開關降壓轉換器和傳統的電感開關轉換器主要的區別在于兩個方面。

（1）主開關管S1對軟開關的控制方法有所差異。改良前的開關在開通時，開關管電流為零。濾波器電感器L3和滿足相互電感M3的結合，通過電流電感器I3被屏蔽，主開關打開前的電流零，實現了零電流控制。耦合電感器L2、開關管的耦合電感L1、關機和共振容量諧振電路，形成了Cr。然后，開關管兩端電壓zero逆并聯二極管Ds的夾具效果，實現了開關的零電壓控制。

（2）電感耦合模式不同。耦合電感的作用是電流I3斷續后繼續為負載提供能量以提高電路的效率，而且變換器性能跟耦合電感的匝數比無關。改良之后的BUCK變換器耦合電感L1不但具備常規BUCK并對其電感的濾波功能，同時還能夠和諧振電容Cr共同組成諧振電路，從而確保開關兩側電壓在開通之前能夠下降到零，并并通過反向并聯二極管DS的鉗位作用使其始終處于零的狀態，最終保障主開關零電壓進行開通。與此同時，耦合電感L2和其中的續流二極管D1實施有效串聯，為確保其零點六開關奠定了良好的基礎。

2 耦合電感器的設計和分析

電感在BUCK變換器中擁有著非常多的功能，比如能量存儲以及轉換，能夠有效的應對電流沖擊。一般來講，磁性元件的體積以及重量都相對較大，它們可以占據到BUCK變換器的1/5，甚至在某些特殊場景中，磁性元件的體積以及重量可以占據到1/2以上，因此，通常來講，電感的體積以及重量可以對變換器的大小以及重量產生決定性的影響。要想使得變換器變得更小、更輕，就必須要研究高頻化以及輕型化的電感。耦合電感線圈之間的漏磁通和漏感以及耦合電感匝數比的改變等都會對變換器產生很大的影響。因此，耦合電感器的合理的設計優化匝數比的變化降壓轉換器的改善重要的研究。

2.1 耦合電感優化

耦合系數，線圈的反對方面通過結合線圈側發生的磁通的大小來決定的。小小的耦合系數和結合的線圈高輸出的情況下的應用不適合，高輸出的情況下發生的磁場，某種程度上小小的耦合系數的結合線圈的磁電路的方向變化，所以，然后又p，misflow和磁滯損失等的問題制作。大耦合系數的耦合電感線圈之間的泄漏和能源損失可以減少，裝置本身而言，周磁場削弱的影響。選擇正確的核心結合性能和線圈的磁通密度會提高，電力減少損失。

3 耦合電感器

3.1 線圈的線徑的選擇

耦合電感的性能是由焊絲直徑、趨膚的深度來決定的。使用周波數大于f（hz），表皮效果很大。趨膚深度（cm）的額定周波數相關。趨膚的深度和周波數的關系，多數的作為數據的表現為：

改進型Buck變換器的開關頻率為50kHz，將其帶入上式可得

漆包線直徑的選擇通常情況下按照導線直徑應小于二倍的趨膚深度的準則，因而導線直徑d有

從上述的公式以及其結果可知，線徑的漆包線可選擇從理論上可見。但是，高周波數動作耦合電感器的表皮的效果。因此，耦合電感器的繞組的情況下，多鋼絞線繞組和繞組方法通常被采用。這的目的是，各線的高周波工作下的不均勻電流分布，為了交流阻抗可減少，有效電線的損失可以減少。

3.2 耦合電感器

電感耦合磁性材料和磁性形狀與漆包線直徑后，耦合電感卷被。本文在圓形的耦合電感器的匝數比1，2，3的上弦分別，圖3所示。兩個紅色outends（左側的2個左側）的耦合電感器的另一方面，兩個青outends（右側的兩個方面）的耦合電感器的對面。他們之間，紅色與青的上端出線同樣的名字一結束，紅色和青下端相互結束這個名字的引出線。

圖3 圓形耦合電感

第二，對結合因子的優化，簡單地介紹了核心的核心材料和形狀。在全面的考慮之后，為了減少錳鋅纖維材料的旋渦電流和穩健損失，作為磁性材料選擇，不僅僅是作為坦克的結構的磁形的手，也提高了結合體的干擾防止能力。

而且，被改良的背景轉換器 耦合電感器的數量的改變的影響的分析。原理分析及公式導出通過耦合電感器和改良的背景轉換器的電壓和電流開關二極管的應力轉數比的關系得到。

4 結束語

長時間以來，能源的有效利用以及高功率密度開關轉換器始終是很多專家與學者的研究課熱點。因此，在研究中，許多學者提出的多種軟件開關降壓轉換器，但是，這些降壓轉換器在一定程度上還是存在有各種各樣的一些問題。例如，一些額外的諧振電路，開關管的兩端高電壓和電流過大的沖擊，過多的輔助、電容器、二極管以及其他電感元器件的增加，這樣，無疑會提升其功率，加大能源的損耗，同時不利于其可靠性的提升。

鑒于上述問題，本文的研究中提出了基于耦合電感的降壓轉換器，即軟開關BUCK變換器。（1）對改良之后的BUCK變換器原理展開了探討，并對其控制方法展開了論述，從而確定了改變換器的使用條件和使用性能，最終認為，改良之后的變換器需要工作在斷續導電模式之下，才可以有效地完成各個開關元件的軟開關方式。（2）耦合電感在改良之后的轉換器中擁有者非常關鍵的作用。通過構建相關的數學模型，然后開始對各個部件實施優化，更加深入的分析耦合電感的匝數對變換器性能產生的影響，最終得出最為優質的改良方式，保證了改良BUCK變換器的性能。（3）被改良的轉換器間歇性地導電模式下運行，凱以實現零電壓開通和零電流的閉合，開通零電壓以及閉合零電流的實現都是通過續流二極管來進行實現的，另外。改良之后的BUCK變換器所包含的電路以及電器元件數量有所減少，因此其操作和控制更加的便捷，其穩定性有所提升。