一種無輔助開關的DC－DC變換器軟開關建模與仿真

楊儒龍，劉述喜，李科娜

（重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶400054）

隨著科技和生產的發展，雙向DC－DC變換器被更多的應用于工業領域。常用的半橋雙向DC－DC變換器一般有兩個開關管，在電流連續的模式下，這兩個開關管將處于硬開關狀態，具有較大的開關應力，使得電路在高頻運作情況下產生較大的開關損耗。傳統的零電壓轉換（ZVT）方法和零電流轉換方法是應用于半橋雙向 DC－DC 轉換器的有效的軟開關技術［1－4］。但是，由于換相問題的存在，對于雙向ZVT拓撲至少需要兩個輔助開關。同時，輔助開關的控制時序與主開關不同，這會增加雙向轉換器的控制復雜度［5－6］。

為了減小控制復雜度，有些學者增加耦合電感和二極管來實現軟開關，但是增加的輔助二極管會帶來額外的損耗，使得電路在重載運行下效率很低。也有學者通過增加LC串聯諧振電路來實現軟開關［7－8］，這種拓撲不需要增加額外的開關管，損耗也相應的較少。

本文所研究的雙向DC－DC拓撲結構，只使用一個諧振電感和兩個電容就可實現軟開關的作用。本文首先對電路拓撲進行了分析，然后分析了Buck模式下的工作原理，最后利用pspice搭建仿真電路模型，驗證了理論分析的正確性。

圖1 變換器電路拓撲

1 拓撲結構分析

半橋雙向DC－DC變換器的電路拓撲如圖1所示。

圖1中有三個輔助元件：一個諧振電感Lr，兩個輔助電容C1和C2。其他的主要元器件包括：

S1、S2是主開關，Cr1和 Cr2是其寄生電容，Dr1和Dr2分別是S1和S2的體二極管；L是主電感，Ch是高壓側濾波電容，Cl是低壓側濾波電容。

由圖1可知，ir為正時，可以實現S2的零電壓導通，ir為負時，可以實現S1的零電壓導通。C1和C2儲存能量，并向Lr釋放，讓ir電流換向，這樣就能實現S1和S2的零電壓導通。當S1導通時，C1放電，C2充電，與此同時ir由正變負，負的ir值會使S1實現零電壓導通。當S2導通時，C1充電，C2放電，與此同時ir由負變正，正的ir值會使S2實現零電壓導通。儲存在C1和C2中的能量向L釋放，而在L中的電流紋波會很小。當開關管關斷時，寄生電容Cr1和Cr2也可以減小S1和S2兩端的電壓上升率。

2 Buck工作模式

一個開關周期內，在Buck工作模式下，變換器存在如圖2所示的8種工作模態，在各階段電路中的主要工作波形如圖3所示。

圖2 變換器工作模態及其等效電路

圖3 Buck工作下主要波形圖

模態1［t0～t1］，圖2（a）：t0時刻S1關斷，Cr1開始充電，Cr2開始放電，充放電過程為S1提供了ZVS條件。在這個模態下i1、ir從正值開始衰減，i2從負值開始上升，v1下降，v2上升。

模態2［t1～t2］，圖2（b）：t1時刻，Cr2的電壓下降到0，Dr2導通，S2兩端的電位被鉗位到0，為S2的導通提供了零電壓條件。在這個模態下i1、ir、i2、v1和v2與模態1相同。

模態3［t2～t3］，圖2（c）：S2在t2時刻零電壓導通，i1、ir和i2模態1相同。當ir等于iL時，v1達到最小值，然后v1開始上升，v2開始下降。

模態4［t3～t4］，圖2（d）：t3時刻，ir下降到0，i3時刻之后，ir變成負值。在這個模態下，v1和v2與模態3相同。從模態2到模態4，根據KVL和KCL可得：

式中，vL是電感L兩端電壓，vr是電感Lr兩端電壓。由式（1）可得：

模態5［t4～t5］，圖2（e）：t4時刻S2關斷，Cr1開始放電，Cr2開始充電，充放電過程為S2提供了ZVS條件。在這個模態下i1、ir從負值開始上升，i2從正值開始下降，v1上升，v2下降。

模態6［t5～t6］，圖2（f）：t5時刻，Cr1的電壓下降到0，Dr1導通，S1兩端的電位被鉗位到0，為S1的導通提供了零電壓條件。在這個模態下i1、ir和i2、v1和v2與模態5相同。

模態7［t6～t7］，圖2（g）：t6時刻，S1零電壓導通，i1、ir和i2、v1和v2與模態5相同。

模態8［t7～t8］，圖2（h）：t7時刻，ir上升到0，t3時刻之后，ir變成正值。當ir等于iL時，v1達到最大值，然后v1開始下降，v2開始上升，i1、ir和i2與模態5相同。從模態6到模態8，由KVL和KCL可得：

將式（2）代入式（4）有：

3 仿真驗證

為了驗證相關理論的正確性，在pspice中搭建仿真電路模型如圖4所示。

圖4 系統仿真模型

其中，仿真電路具體參數如表1所示。

表1 電路元件參數表

其中，S1，S2，C1、C2和iL的相關仿真實驗波形如圖5、圖6、圖7和圖8所示。

從圖5（a）和（b）可以看出S1實現了軟開關狀態。從圖6（a）和（b）可以看出S2實現了軟開關狀態。由圖5（b）可得，當Us1下降為0時，is1和UGS1開始上升，這便得到了S1的ZVS條件。從圖6（b）可以看出當Us2下降為0時，is2和UGS1開始上升，這便得到了S2的ZVS條件。圖7是輔助電容C1、C2的電壓和電流波形，其波形和理論相符合。從圖8可以看出，此時iL的波形基本趨于穩定，電流紋波很小。由仿真結果可知，本文的軟開關拓撲可以有效的減少iL中的紋波。

圖5 Buck模式下S1的ZVS波形

圖6 Buck模式下S2的ZVS波形

圖7 Buck模式下C1、C2兩端波形

圖8 Buck模式下iL波形

4 總 結

本文介紹了一種非隔離的DC－DC軟開關拓撲，在不引入輔助開關的基礎上，通過幾個儲能元件實現開關管的零電壓導通。對該拓撲Buck模式下的工作原理進行了分析。最后通過仿真實驗，實現了Buck模式下的ZVS，仿真結果驗證了相關理論的正確性。