基于ZVS 與ZCS 技術的高效率電源研究

徐 丹

（1.上海大學，機電工程與自動化學院，上海 200072；2.中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802）

0 引言

提高電源的效率有著極其重要的意義，效率的提高意味著輸入功率的減少，有利于電力成本的減少。效率提高的同時也伴隨著電源損耗的降低，電源隨著損耗的降低，電源內部電子元器件的發熱也會大幅度減少，電子元器件的壽命就會大幅地提高。因此提高效率就變得十分有必要，本文將提出一種新的方式來提高電源的效率。

1 高效率電源的工作原理

傳統的開關電源在能量轉換的過程中，都會損失大量的電能，其中大部分的能量消耗在半導體開關元器件上。這大量損失的電能一部分將轉化為熱量，如果不能將這些熱量很快地散去，將會導致電源過度發燙而損壞；另外一大部分能量將轉化為電磁場，這些電磁場將耦合進電源系統中，將嚴重干擾電源系統的正常工作。半導體開關器件閉合期間漏極、源極間電壓非常高，在此期間漏極電流與該電壓的乘積便是電能損耗［1-2］。

本文所研究的高效率開關電源，不再采取傳統的控制策略，取而代之的是一種基于ZVS 與ZCS 技術的控制策略。那么何為ZVS、ZCS 控制策略呢？簡單地說就是通過自動控制技術，把電壓與電流分割成兩片獨立的區域。當電壓升高時，將電流降低為零；而當電流升高時，將電壓降低為零。

2 ZVS、ZCS 控制策略的實現

在高效率開關電源中，當半導體開關元器件開通時，電源電壓作用在變壓器的原邊兩端，此時變壓器電流逐漸上升。此時檢流電阻將電流信號傳送至電流處理模塊，電流處理模塊將電流信號通過乘法器及斜率補償電路的處理后，將計算結果傳送至誤差比較器。在誤差比較器中與輸出電壓進行比較，將比較的結果傳送入PWM 發生器內。最后，時鐘信號、PWM 數字信號一起進入RS 觸發器中，產生正邏輯有效的開關信號來驅動半導體開關元器件。

經過如上處理后，流過半導體開關元器件的電流與其上的電壓之間被有效地分割出來。當改變乘法器增益時，電流與電壓之間的間隔時間會加長，由此有效地避免了兩者重疊的可能。電流處理模塊中還包含了峰值電流保護電路，可以有效地保護變壓器避免出現電磁飽和的現象［3］。

3 ZVS、ZCS 控制策略的仿真驗證

使 用MATLAB 軟 件 的Simulink 模 塊，對ZVS、ZCS 控制環路進行仿真。建立如圖1 所示的電流處理模塊仿真模型，該模型是將ZVS、ZCS 控制算法同MATLAB 子模型相結合，利用子模型來模擬控制策略。將仿真模型在MATLAB 中進行仿真，得到圖2 的仿真結果，由此可見半導體開關元器件的電流與電壓在該控制策略被有效地抑制了，進一步可驗證高效率開關電源的可行性。

4 高效率電源實物試驗測試

在理論與算法仿真的基礎上，利用電子元器件搭建了高效率電源的測試平臺，進一步驗證ZVS 與ZCS控制策略的可行性和高效性。

圖3 為運行ZVS 與ZCS 控制策略后，變壓器主繞組上電壓與電流相對應的實際測量波形。從實測波形中，可以驗證在電源正常運行期間，變壓器主繞組上電壓與電流的工作區間互相分離，以此來達到電能損耗接近于零的目標[4-5]。

圖1 ZVS、ZCS 控制環路仿真示意圖

圖2 半導體開關元器件電流仿真示意圖

圖3 變壓器電流與電壓波形

5 結論

本文研究了ZVS、ZCS 控制技術，利用該技術提高開關電源的電能利用效率，可以實現節能環保。