蘇 盈

（西南交通大學(xué)，四川 成都610031）

0 引 言

通常，在硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲［1］。開(kāi)關(guān)損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降。針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，使變換器朝高頻化方向發(fā)展。零電流轉(zhuǎn)換ZCT（Zero Current Transition）軟開(kāi)關(guān)技術(shù)［2］在Buck 變換器中的應(yīng)用基本上解決了由于硬開(kāi)關(guān)工作方式所帶來(lái)的問(wèn)題，但是典型的零電流轉(zhuǎn)換PWM變換電路只實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，而輔助開(kāi)關(guān)管工作于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，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(chǔ)上，針對(duì)其存在的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)電路，根據(jù)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)所需條件和變換器整體性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了電路參數(shù)，并進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明改進(jìn)電路能較好地實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)的零電流關(guān)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(kāi)關(guān)管S1先于輔開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通，由諧振電容Cr、諧振電感Lr、輔助開(kāi)關(guān)管S2和主開(kāi)關(guān)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(lián)二極管D1導(dǎo)通，在這期間關(guān)斷S1可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

圖1 典型Buck 型ZCT－PWM 電路

在ZCT－PWM電路中，當(dāng)主開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，電流迅速地從主二極管D 中轉(zhuǎn)到S1上，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通，因此主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗很大。同樣，當(dāng)主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，電壓源通過(guò)S2、Cr和Lr向負(fù)載供電，這時(shí)關(guān)斷S2會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗，并且會(huì)產(chǎn)生諧波干擾其它元件上的電壓和電流。

2 改進(jìn)ZCT－PWM Buck 電路及工作原理

改進(jìn)后的拓?fù)淙鐖D2 所示。其中S1為主開(kāi)關(guān)管，S2為輔開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管S2，諧振電容Cr、諧振電感Lr和主開(kāi)關(guān)S1的反并聯(lián)二極管D1組成，它為主開(kāi)關(guān)S1的關(guān)斷創(chuàng)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(jìn)型ZCT－PWM Buck 電路

圖3 改進(jìn)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(shè)：（1）變換器工作已達(dá)穩(wěn)態(tài)；（2）所有開(kāi)關(guān)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，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(gè)周期中輸出電壓U0保持不變。

基于上述假設(shè)，該變換器在一個(gè)周期中的工況可以分為以下模態(tài)，各模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路和主要波形分析如下：

（1）模態(tài)1 ：t0～t1階段

在t ＜t0時(shí)，主開(kāi)關(guān)管S1和輔開(kāi)關(guān)管S2均處于關(guān)斷狀態(tài)，等效電路圖如圖10 ，主二極管D 和諧振電感Lr續(xù)流。電感Lf上流過(guò)的電流為ILf，uCr＝Ui。在t＝t0時(shí)，S1開(kāi)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(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通。

圖4 t0～t1 階段等效電路

主開(kāi)關(guān)管S1上電流iS1上升，諧振電容Cr與諧振電感Lr通過(guò)S2的反并聯(lián)二極管和S1形成諧振回路：Lr—→D2—→Cr—→S1。在t ＝t1時(shí)，流過(guò)主二極管 D的電流線性下降到零，有效抑制D 的反向恢復(fù)電流，D近似零電流關(guān)斷。

在這一階段，主開(kāi)關(guān)管S1上的電流iS1、諧振電容Cr 和諧振電感Lr 上的電流表達(dá)式分別為：

（2）模態(tài)2 ：t1～t2階段

其等效電路圖如圖5 所示。由主開(kāi)關(guān)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(xù)諧振，直到uCr＝0，這時(shí)iS1達(dá)到最大值：

之后，Cr被反向充電，此過(guò)程一直持續(xù)到iLr＝0諧振過(guò)程結(jié)束。

圖5 t1 ～t2 階段等效電路

（3）模態(tài)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通的工作狀態(tài)相同，該時(shí)間長(zhǎng)度由PWM控制決定。

圖6 t2 ～t3 階段等效電路

（4）模態(tài)4 ：t3～t4階段

在t ＝t3時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)管S2開(kāi)通，電路如圖7 所示。由于Lr的電流不能突變，S2近似實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通。諧振電感Lr和諧振電容Cr開(kāi)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(shí)，諧振電感電流上升至ILf，主開(kāi)關(guān)管電流iS1下降到零。

（5）模態(tài)5 ：t4～t5階段

圖8 t4 ～t5 階段等效電路

在t ＝t4時(shí)，主開(kāi)關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管D1導(dǎo)通，諧振電容Cr和諧振電感Lr繼續(xù)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(shí)，iLr經(jīng)過(guò)最大值后下降到ILf，Cr被正向充電，流經(jīng)D1的電流減小到零，D1自然關(guān)斷。在這一階段關(guān)斷S1可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

（6）模態(tài)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(shí)主二極管D 兩端電壓下降到零，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，諧振電感Cr的電壓被箝位在Ui。在t ＝t6時(shí)，主二極管D 電流上升到ILf，iS2下降到零，這時(shí)關(guān)斷S2 可實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷。

（7）模態(tài)7 ：t6～t7階段

電路等效如圖10 。在這一階段主二極管D 續(xù)流，電路工作模式與基本Buck 變換器關(guān)斷狀態(tài)相同，時(shí)間長(zhǎng)度由PWM控制決定。該階段結(jié)束，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束。

圖10 t6 ～t7 階段等效電路

3 仿真分析

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

開(kāi)關(guān)頻率為40 kHz ，直流輸入電壓為40 V，輸出電壓為16 V，負(fù)載電阻10 Ω，輸出電壓紋波分量△Uo＜0.5 V，輸出電壓脈動(dòng)△ipp＜0.05 A。

3.2 電路參數(shù)

根據(jù)以上對(duì)改進(jìn)電路工作原理的分析，考慮到主輔開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)所需要的條件，在參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

②諧振電感Lr的選擇應(yīng)使得S1開(kāi)通時(shí)其上的電流上升速度不要太快。一般可選為S1開(kāi)通時(shí)間的2～3 倍。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和各個(gè)參數(shù)應(yīng)滿足的條件選用Lf＝300 μH，Cf＝20 μF，Lr＝8 μH，Cr＝30 μF，采用PSpice 對(duì)電路圖進(jìn)行了仿真，主開(kāi)關(guān)管S1選擇了IRF220 ，輔助開(kāi)關(guān)管S2選擇了IRF235 ，主二極管選擇了D1N1190 。

3.3 仿真結(jié)果

圖11 主開(kāi)關(guān)管、輔開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管電流波形可以看出，主開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通時(shí)，電流的上升率受到諧振電感Lr的限制，實(shí)現(xiàn)了近似零電流開(kāi)通，關(guān)斷前，與其反并聯(lián)的二極管D1導(dǎo)通，S1實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷。從圖中可看出輔助開(kāi)關(guān)管也實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通和關(guān)斷。圖12 為輸出濾波電感和輸出電壓波形?？梢钥闯觯敵鰹V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(jié) 論

通過(guò)上面的理論分析和仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)型ZCT－PWM Buck 電路中的主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)管都是在零電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷的，同時(shí)主二極管D 也是在零電流條件下關(guān)斷的。與基本的Buck 變換器相比，幾乎沒(méi)有增加它們的電流電壓應(yīng)力。此外，改進(jìn)電路幾乎沒(méi)有增加額外的元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式也較簡(jiǎn)單，能在提高變換器效率的基礎(chǔ)上不導(dǎo)致成本明顯上升。

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