基于BUCK電路的新型軟開關電路設計

周浩文 李遷

摘? ?要：本文對采用N溝道增強型MOSFET作開關器件的Buck電路進行了軟開關的設計和仿真。用到的方案是準諧振充放電模式，使MOSFET漏源極兩端的電壓能在柵極觸發(fā)脈沖到來前變?yōu)榱悖归_關管能進行零電壓開通。這樣就能有效地實現(xiàn)Buck電路的軟開關，提高電路的效率。最后利用Saber仿真軟件，對設計的軟開關控制策略進行了仿真驗證，結果與預期相符合。

關鍵詞：降壓變換器? 軟開關? Saber仿真

中圖分類號：TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0128-07

Abstract： This article presents a soft switching method of the Buck converter which uses the N channel enhancement type MOSFET as the switch and the simulation. The design is quasi resonant charging and discharging mode which makes the D-S voltage become zero before the gate trigger pulse come， so the? MOSFET can operate in a zero voltage turn-on mode. In this way， it can effectively realize the soft switching of Buck converter and improve the efficiency of the circuit. Finally I use the saber software to do the simulation and receive the expected result.

Key Words：Buck converter; Soft switching; Saber simulatio

1? 引言

1.1 研究背景

自從軟開關技術出現(xiàn)之后，經(jīng)歷了發(fā)展期和完善期，軟開關電路也是層出不窮，迄今為止，各式各樣的軟開關拓撲仍不斷涌現(xiàn)[1]。近年來國內外出現(xiàn)了許多軟開關的方法，比如準諧振DC/DC變換器，多諧振DC/DC變換器，ZCS/ZVS PWM DC/DC變換器，ZCT/ZVT PWM DC/DC變換器等，這些技術都能在不降低效率的情況下提高變換器的工作頻率。這些軟開關電路，一般是在常規(guī)電路上增加諧振回路，利用諧振，使開關器件兩端的電壓或流過的電流呈準正弦波形，這樣可以為開關管的零電壓導通或零電流關斷創(chuàng)造條件，從而將軟開關實現(xiàn)，減小開關管的損耗與噪音。

1.2 研究的目的及意義

硬開關技術應用于早期的開關電路中。較大的損耗會出現(xiàn)在開通或關斷過程中。硬開關技術有以下幾個主要問題[1]：（1）開關損耗問題：在開關管開通關斷過程出現(xiàn)電流和電壓重疊，造成開關損耗;（2）感性關斷問題：嚴重的電壓尖峰會出現(xiàn)在電路中的寄生電感在高頻工作時;（3）容性開通問題：嚴重的浪涌電流會出現(xiàn)在電路中的寄生電容在高頻工作時;（4）二極管的反向恢復問題：二極管存在反向恢復期，立即開通與其串聯(lián)的開關管，則易造成瞬時短路。

而本文通過合理的設計，應用軟開關技術，能夠有效減小開關損耗問題，從而提高開關頻率。在理論上成功實現(xiàn)后，經(jīng)過進一步的加工，便能得到在實際生產(chǎn)中的應用，為國家的產(chǎn)業(yè)節(jié)能，為社會做出應有的貢獻。

1.3 研究的主要內容

Buck電路又叫降壓斬波器，降壓變換器輸入電壓Uin總是大于輸出電壓平均值Uo。Buck電路有兩種工作模式：連續(xù)導電模式：穩(wěn)態(tài)工作時，每個周期內iL一直大于0;斷續(xù)導電模式：穩(wěn)態(tài)工作時，每個周期內iL有一段時間為0。通常Buck電路工作于哪種模式取決于開關頻率f、濾波電感的值L。開關頻率高，可以用更小的電感來濾除高次諧波，因此面積可以做的很小。比如手機的Buck電路，開關頻率都上兆。

本文實現(xiàn)了Buck電路的一種軟開關，利用電感電流反向的這一技巧，實現(xiàn)了Buck電路的軟開關，通過一個48V輸入、24V輸出、開關周期為5us的電路進行了仿真，在整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、統(tǒng)計總結后，驗證了電路的正確性。在考慮到電感電流反向造成輸出紋波較大的情況后，運用疊加原理，設計另一電路，達到預期效果，成功避免了電感電流反向對輸出造成的不利影響。而實現(xiàn)軟開關的方法有很多種，這只是其中比較基礎的一種，在以后的工作中也許會遇到更加復雜的軟開關形式，通過本設計可以鋪平道路。

2? Buck電路軟開關電路設計及原理分析

2.1 Buck電路軟開關設計方案

本課題首先設計的Buck電路軟開關方案如圖1所示。

Buck電路又叫降壓斬波電路，降壓式變換電路。是一種DC/DC變流電路，可以根據(jù)用戶的需求，輸出對應的電壓，提供負載所需。主要能運用于電車、地鐵、電動汽車、火車、直流電機調速系統(tǒng)、照明等領域。但傳統(tǒng)的硬開關Buck電路，存在著開關損耗大，開關噪聲大，工作效率低的問題。這將直接影響到其集成化、輕型化的要求。為了方便對此問題的了解，首先給出硬開關Buck電路仿真電路圖。

圖2中所示為Buck電路的硬開關仿真電路圖，即強制切斷功率流的工作模式。圖中元件的參數(shù)為：輸入電壓V=12V，開關周期T=20μs（即開關頻率f=50kHz），占空比D=0.42（因為想要輸出的電壓為5V），電感L=1.6mH，電感值較大，電路能工作在CCM（電感電流連續(xù)的模式下），濾波電容C=470μF，輸出負載R=0.83Ω。如果電路能工作在理想狀態(tài)下（即完全無開關損耗的狀態(tài)下），輸出電壓Uo應該為12×0.42=5.04V，負載電流應該在5.04/0.83=6.07A左右，而實際仿真分析得到的輸出波形如下。

由圖3可以清楚地看出，穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓值為4V，輸出電流Io=4.5A左右，均跟理論值存在較大差距，究其原因，可以看一下開關管IGBT的工作情況，如圖4、5所示。

由圖4和圖5可以清楚地看出，經(jīng)過IGBT控制后的輸入電壓產(chǎn)生了小于零的情況，這在正常情況下是不應該出現(xiàn)的，從而導致電壓峰值小于12V，可以說，由于IGBT的開通壓降引起的開關損耗引起了輸入達不到要求，從而導致輸出電壓無法滿足需求。顯而易見，這就是硬開關電路所存在的問題。使得電路的工作效率僅為4×4.5/（5.04×6.07）×100%=58.8%。

從上述的實驗仿真分析不難看出，開關管IGBT的損耗已經(jīng)嚴重影響到電路的正常工作效率，不僅造成電路的工作效率低，存在開關噪聲等一系列問題，更為重要的是，開關損耗使得能耗更加增大，產(chǎn)生了更多的安全隱患，在開關上消耗的能量積聚到一定的程度，發(fā)熱累積到一定的程度，將會產(chǎn)生難以預計的后果，甚至可能會威脅到人身財產(chǎn)安全。綜上所述，軟開關技術勢在必行，于是設計了如圖1所示的Buck軟開關電路，下面就對Buck軟開關電路的原理進行詳細分析。

2.2 原理分析

鑒于此，如圖1所示，設計了Buck電路的軟開關電路圖，主開關管VS1、輔助管VS2，這個兩個開關管都是N溝道增強型的MOSFET，工作特點時，只有當Vgs大于閾值電壓才能導通，導通后電流方向為從D極到S極、電感L和電容Co共同組成零電壓開通的Buck變換器，Ro為負載電阻，一般不屬于Buck電路的內部結構。此電路與一般的Buck電路不同，一般的Buck電路中除了有一個開關管外，還有一個二極管，而此電路中原本那個位置的二極管變成了一個N溝道增強型MOSFET開關管，為什么要這樣做呢？這是因為用MOSFET來替代二極管，能使得電路獲得比較高的效率，同時兩個開關管互為補充。VS1和VS2兩端分別反并聯(lián)二極管D1，D2，為電感電流的正向及反向流通提供回路，兩個開關管上并聯(lián)的電容C1，C2用來與電感L組成準諧振回路進行充放電，電容Co是濾波電容，取值較大即可，只起到濾波電容的作用。VS1和VS2分別由觸發(fā)脈沖ug1和ug2互補驅動，ug1、ug2分別為VS1、VS2的柵源極電壓，并且ug1和ug2之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導通，同時VS1和VS2兩個開關管的軟開關也必須在該死區(qū)內完成。這是一種最簡易的Buck電路軟開關電路，與硬開關的Buck電路相比，此電路與之的區(qū)別在于，在兩個開關管漏源極兩端并聯(lián)有二極管和電容器，硬開關的Buck電路最大的問題在于開通時，開關管上升的電流和下降的電壓出現(xiàn)重疊;關斷時，上升的電壓和下降的電流出現(xiàn)重疊。開關損耗正是來源于電壓、電流波形的交疊，并且該損耗隨開關頻率的提高而以倍數(shù)增加。采用此種設計的電路之后，通過諧振充放電，可以使得開關管在每一個觸發(fā)脈沖到來之前電壓放電到零，具體工作情況的分析如下。

開關電路按周期重復的工作，分析起點的選擇很重要，選擇合適的起點，可以簡化分析過程[2]。在分析此零電壓導通準諧振電路時，選擇開關管VS1開通時刻為分析的起點最為合適[3]，下面結合圖6逐段分析電路的工作過程。

一個工作周期分為6個階段，其工作過程如下：

（1）第1階段[t0-t1]：VS1導通，此時電路由輸入電壓Vin、開關管VS1、電感L、濾波電容Co和負載Ro組成，電感上在輸入電壓到來后，進入充電狀態(tài)，VS1兩端電壓為零，VS2兩端電壓為最大，電感電流iL線性增加，由負值變?yōu)檎担瑸槭裁词菑呢撝底兂烧担催^后面的分析你就會明白，在t1時刻，VS1關斷，電感電流到達一個最大值，該階段結束，由此在電感上就儲蓄有一定的能量，表現(xiàn)在電感電流較大上。

（2）第2階段[t1-t2]：VS1關斷后，此時電路由輸入電壓Vin，結電容C1，結電容C2，電感L，濾波電容Co，負載Ro組成。電感電流iL為正且為最大，VS2的結電容C2通過電感L放電，這正好符合了電流本來流動的方向，因此電感電流iL會線性下降，由于是VS2的結電容C2放電，電感電流減小，同時由于電感電流的存在，VS1的結電容C1被充電，結電容C1兩端的電壓線性上升，VS2的漏源電壓近似線性下降，直到VS2的漏源電壓下降到零，該階段結束。在這一過程中，L和C1，C2形成諧振回路，C2放電，C1充電，為VS2的零電壓開通提供條件，這時必須要滿足的條件的充放電時間一定要合理，即一定要滿足在死區(qū)時間內完成C2兩端電壓下降到零的要求，否則無法實現(xiàn)VS2的軟開關。

（3）第3階段[t2-t3]：此時電路由電感L、濾波電容Co、負載Ro、VS2的反并二極管D2構成，D2為VS2的反并聯(lián)二極管。當VS2漏源電壓下降至零后，自然而然VS2反并二極管D2導通，電流換流到D2上，電容C2被短路，將VS2漏源電壓鉗位在零電壓狀態(tài)，為VS2的零電壓導通創(chuàng)造了條件，在這里要實現(xiàn)軟開關，必須滿足的條件是能在短時間內，即在死區(qū)時間內讓VS2的兩端電壓到零，如果在觸發(fā)脈沖到來的時候VS2兩端的電壓還不能到零的話，就不能實現(xiàn)VS2的軟開關。

（4）第4階段[t3-t4]：此時電路由電感L、濾波電容Co、負載Ro、開關管VS2組成。當VS2的門極變?yōu)楦唠娖郊从|發(fā)脈沖到來時，VS2能夠實現(xiàn)零電壓開通，在本設計中，均是實現(xiàn)零電壓開通，因為一般的軟開關分為兩種，零電壓開通型和零電流關斷型，要同時滿足這兩種類型的電路還有待進一步地研究發(fā)現(xiàn)。iL流過VS2，此時輸入電壓端與工作電路隔離開，已經(jīng)不再起任何作用了，電感電流iL繼續(xù)線性減小，直到變?yōu)樨撝担竭@里就必須要解釋一下為什么要使得電感電流到達負值，而為什么電感電流又能到達負值，因為在一般的正常情況下，Buck電路只能工作在CCM（電感電流連續(xù)，每個周期內不到零點）和DCM（電感電流斷續(xù)）的兩種模式下，為什么在這個電路中會出現(xiàn)電感電流為負值的情況，如果注意到電路中的兩個MOSFET兩端反并聯(lián)的電容和二極管就不難發(fā)現(xiàn)答案，它們能提供反向電感電流的正向及反向通路，之所以需要電感電流反向，是因為如果不反向，就不能形成VS1兩端并聯(lián)電容的放電回路，沒有放電回路就不能實現(xiàn)VS1兩端電壓到零，就不能實現(xiàn)軟開關，這就是原因所在，之后VS2關斷，該階段結束。

至此，所有參數(shù)計算完畢，可進行仿真驗證。

3? Saber仿真驗證

3.1 Saber仿真軟件的組成

（1）SaberSketch：SaberSketch是圖形化輸入軟件工具，擁有這個部分設計系統(tǒng)變得前所未有的直觀、方便、容易。若庫中沒有符號元件，還可以自己增加庫元件。

（2）SaberDesigner：SaberDesigner是一個集成分析環(huán)境，它由Saber仿真器組成，SaberDesigner集成環(huán)境的核心正是Saber仿真器;SaberGuide，用于指導仿真進程，能夠進行報錯分析等;SaberScope，能夠分析顯示波形，用于分析仿真結果的波形。

（3）SaberBook：SaberBook是文檔瀏覽軟件包。

3.2 Saber仿真軟件的特征

（1）混合系統(tǒng)仿真。

混合系統(tǒng)進行仿真即是說Saber能夠對如由電子、電力電子、機電一體化、機械、光電、控制等不同類型系統(tǒng)構成的系統(tǒng)進行仿真，這是Saber的最大亮點。

（2）MAST硬件語言。

MAST語言是Analogy公司開發(fā)的對物理部件建立仿真模型的硬件描述語言。用MAST語言可以對電子（數(shù)字或模型）、機械、控制等不同類型的部件建立仿真模型，實現(xiàn)混合仿真。

（3）開放的部件庫。

Saber的部件庫是開放式的，用戶可以借助于MAST語言建立自己的部件模型，并用SaberSketch為其設計圖形符號，以便能用圖形輸入方式設計系統(tǒng)[4]。用戶也可以用已有的部件組合出一個符合自己要求的子系統(tǒng)，并為此子系統(tǒng)建立一個圖形符號，作為部件來用。

（4）模塊化、分級式系統(tǒng)設計。

Saber允許系統(tǒng)按功能模塊分級設計，即頂層系統(tǒng)可以包含若干個按功能劃分的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又可以包含下一層的子系統(tǒng)，以此類推。這種結構為大系統(tǒng)設計的分工合作帶來了方便[5]。

在硬開關的Buck電路中是不可能出現(xiàn)這種情況的，硬開關的Buck電路中，只存在CCM（電感電流連續(xù)）和DCM（電感電流斷續(xù)）這兩種工作模式。為什么出現(xiàn)現(xiàn)在這種電感電流反向的工作情況？如前所述，正是因為有了VS1、VS2兩端的反并二極管D1、D2的存在，電感電流反向是實現(xiàn)VS1管零電壓導通的必要條件，這就是軟開關電路與硬開關電路本質的區(qū)別所在。其實這是軟開關電路工作在DCM模式下的特殊情況，硬開關電路之所以出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，就是因為原本要反向的電流沒有流通的通路，造成電流為零，在軟開關電路中，由于有了開關管兩端并聯(lián)的反并二極管，為反向的電感電流提供了通路。

最后來看輸出電壓，直接雙擊out，就繪制出了out端的電壓，即輸出端的電壓如圖7所示。

由圖7可以清楚看出，輸出電壓在23.8V左右，而設置的輸入電壓48V，D=0.4，按理論值，輸出電壓應該為48×0.4=19.2V，為什么會出現(xiàn)這種情況？這是因為有死區(qū)時間的存在，即tdead1=tdead2=0.5μs，若把死區(qū)時間算在內，實際的占空比，應該在D=0.5，輸出電壓應該為48×0.5=24V左右，仿真的輸出電壓在23.8V，可見此Buck電路的效率非常高，為23.8×6/（24×6.3）×100%=94.4%，比硬開關的Buck電路效率的58.8%高出了許多，開關損耗得到了明顯的抑制，為器件的高頻化發(fā)展提供了有力條件。

4? 結語

Buck電路作為一種最基本的DC/DC拓撲，通過這樣的一個基礎電路，來研究軟開關這門技術是一種非常好的方式。

本文通過合理的設計，基本實現(xiàn)了Buck電路的軟開關。分析了主電路的工作原理，針對開關管的工作特性，設計了輔助電路，選擇各種元器件參數(shù)，完成了仿真模型的建立，分析方法和硬件參數(shù)的理論推導。通過仿真軟件對控制系統(tǒng)進行仿真研究，分析其中的關鍵器件和參數(shù)，以保證主開關管和輔助開關管的零電壓導通。

本文討論的只是Buck電路的其中一種的軟開關實現(xiàn)方法，由于軟開關技術還處于飛速發(fā)展的階段，各式各樣的軟開關拓撲也是層出不窮，相信在不久的將來，一定會有更加先進的軟開關技術呈現(xiàn)在世人面前。

參考文獻

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