改进软开关Buck ZCT－PWM开关电路设计及其Pspice 仿真

苏 盈

（西南交通大学，四川 成都610031）

0 引 言

通常，在硬开关过程中，会产生较大的开关损耗和开关噪声［1］。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降。针对这些问题出现了软开关技术，降低了开关损耗，使变换器朝高频化方向发展。零电流转换ZCT（Zero Current Transition）软开关技术［2］在Buck 变换器中的应用基本上解决了由于硬开关工作方式所带来的问题，但是典型的零电流转换PWM变换电路只实现了主开关管的零电流关断，而辅助开关管工作于硬开关状态，因而影响了变换器的性能。本文在研究典型ZCT－PWM Buck 变换器的基础上，针对其存在的问题，提出了一种改进电路，根据开关管实现软开关所需条件和变换器整体性能指标，设计了电路参数，并进行了仿真。结果表明改进电路能较好地实现辅助开关的零电流关断，提高变换器的效率。

1 典型ZCT＿PWM Buck 变换器

典型ZCT＿PWM Buck 变换器如图1 所示，主开关管S1先于辅开关管S2导通，由谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管S2和主开关管S1组成的谐振回路使得S1上的电流iS1下降到零，S1的反并联二极管D1导通，在这期间关断S1可实现零电流关断。

图1 典型Buck 型ZCT－PWM 电路

在ZCT－PWM电路中，当主开关管S1导通时，电流迅速地从主二极管D 中转到S1上，没有实现软开通，因此主开关管的开通损耗很大。同样，当主开关管关断后，电压源通过S2、Cr和Lr向负载供电，这时关断S2会产生较大的关断损耗，并且会产生谐波干扰其它元件上的电压和电流。

2 改进ZCT－PWM Buck 电路及工作原理

改进后的拓扑如图2 所示。其中S1为主开关管，S2为辅开关管，D 为主二极管，Lr和Cr分别是输出滤波电感和滤波电容，谐振回路由辅助开关管S2，谐振电容Cr、谐振电感Lr和主开关S1的反并联二极管D1组成，它为主开关S1的关断创造零电流条件。图3 为新型ZCT－PWM Buck 电路主要工作波形。

图2 改进型ZCT－PWM Buck 电路

图3 改进型ZCT－PWM Buck 电路主要工作波形

在分析该Buck 变换器的工作原理之前，先作如下基本假设：（1）变换器工作已达稳态；（2）所有开关器件都是理想的；（3 ）输入电压Uin恒定；（4 ）输出滤波电感Lf足够大，故在一个开关周期内，滤波电感电流iLf可以看作是恒定的，即iLf（t ）＝ILf；（5 ）输出电压的纹波与其平均值相比小得多，即在一个周期中输出电压U0保持不变。

基于上述假设，该变换器在一个周期中的工况可以分为以下模态，各模态对应的等效电路和主要波形分析如下：

（1）模态1 ：t0～t1阶段

在t ＜t0时，主开关管S1和辅开关管S2均处于关断状态，等效电路图如图10 ，主二极管D 和谐振电感Lr续流。电感Lf上流过的电流为ILf，uCr＝Ui。在t＝t0时，S1开启，等效电路图如图4 ，由于电感Lr上的电流不能突变，所以S1实现零电流导通。

图4 t0～t1 阶段等效电路

主开关管S1上电流iS1上升，谐振电容Cr与谐振电感Lr通过S2的反并联二极管和S1形成谐振回路：Lr—→D2—→Cr—→S1。在t ＝t1时，流过主二极管 D的电流线性下降到零，有效抑制D 的反向恢复电流，D近似零电流关断。

在这一阶段，主开关管S1上的电流iS1、谐振电容Cr 和谐振电感Lr 上的电流表达式分别为：

（2）模态2 ：t1～t2阶段

其等效电路图如图5 所示。由主开关管S1、谐振电感Lr、谐振电容Cr和D2组成的谐振回路Lr—→D2—→Cr—→S2继续谐振，直到uCr＝0，这时iS1达到最大值：

之后，Cr被反向充电，此过程一直持续到iLr＝0谐振过程结束。

图5 t1 ～t2 阶段等效电路

（3）模态3 ：t2～t3阶段

等效电路图如图6 所示。在这一阶段，电路的工作方式与基本的Buck 型变换器在开关导通的工作状态相同，该时间长度由PWM控制决定。

图6 t2 ～t3 阶段等效电路

（4）模态4 ：t3～t4阶段

在t ＝t3时，辅助开关管S2开通，电路如图7 所示。由于Lr的电流不能突变，S2近似实现零电流开通。谐振电感Lr和谐振电容Cr开始谐振，谐振电路为：Cr—→S2—→Lr—→S1。

图7 t3 ～t4 阶段等效电路

在这一阶段，谐振电流iLr和谐振电容电压可表示为：

在t ＝t4时，谐振电感电流上升至ILf，主开关管电流iS1下降到零。

（5）模态5 ：t4～t5阶段

图8 t4 ～t5 阶段等效电路

在t ＝t4时，主开关管S1的反并联二极管D1导通，谐振电容Cr和谐振电感Lr继续谐振，谐振回路为：Cr—→S2—→Lr—→D1。等效电路图如图8 所示：同样有：

在t ＝t5时，iLr经过最大值后下降到ILf，Cr被正向充电，流经D1的电流减小到零，D1自然关断。在这一阶段关断S1可实现零电流关断。

（6）模态6 ：t5～t6阶段

等效电路图如图9 所示。

图9 t5 ～t6 阶段等效电路

在这一阶段，电源Uin向 Cr充电，知道uCr＝Ui，这时主二极管D 两端电压下降到零，实现零电压导通，谐振电感Cr的电压被箝位在Ui。在t ＝t6时，主二极管D 电流上升到ILf，iS2下降到零，这时关断S2 可实现辅助开关管的零电流关断。

（7）模态7 ：t6～t7阶段

电路等效如图10 。在这一阶段主二极管D 续流，电路工作模式与基本Buck 变换器关断状态相同，时间长度由PWM控制决定。该阶段结束，一个开关周期结束。

图10 t6 ～t7 阶段等效电路

3 仿真分析

3.1 设计指标

开关频率为40 kHz ，直流输入电压为40 V，输出电压为16 V，负载电阻10 Ω，输出电压纹波分量△Uo＜0.5 V，输出电压脉动△ipp＜0.05 A。

3.2 电路参数

根据以上对改进电路工作原理的分析，考虑到主辅开关管软开关所需要的条件，在参数设计过程中应考虑以下几点：

②谐振电感Lr的选择应使得S1开通时其上的电流上升速度不要太快。一般可选为S1开通时间的2～3 倍。

根据设计指标和各个参数应满足的条件选用Lf＝300 μH，Cf＝20 μF，Lr＝8 μH，Cr＝30 μF，采用PSpice 对电路图进行了仿真，主开关管S1选择了IRF220 ，辅助开关管S2选择了IRF235 ，主二极管选择了D1N1190 。

3.3 仿真结果

图11 主开关管、辅开关管电流波形和谐振电感电流与谐振电容电压波形

由图11 主开关管电流波形可以看出，主开关管S1开通时，电流的上升率受到谐振电感Lr的限制，实现了近似零电流开通，关断前，与其反并联的二极管D1导通，S1实现了零电压零电流关断。从图中可看出辅助开关管也实现了零电流开通和关断。图12 为输出滤波电感和输出电压波形。可以看出，输出滤波电感的平均值约为1.6 A，输出电压约为16 V。

图12 输出滤波电感电流和输出电压波形

4 结 论

通过上面的理论分析和仿真结果可以看出，改进型ZCT－PWM Buck 电路中的主开关和辅助开关管都是在零电流条件下完成导通与关断的，同时主二极管D 也是在零电流条件下关断的。与基本的Buck 变换器相比，几乎没有增加它们的电流电压应力。此外，改进电路几乎没有增加额外的元件，结构简单，控制方式也较简单，能在提高变换器效率的基础上不导致成本明显上升。

［1］杨 旭，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］王 聪.软开关功率变换器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［4］长卫平，张晓强.一种新型软开关BUCK变换器［J ］.中国电机工程学报，2007 ，22（27）：110－115.

［5］陆冬良，张代润.全软开关 Boost ZCT－PWM 变换器［J ］.电力电子技术，2006 ，2（40）：33－34 ，78.

［6］邓凡李.基于PSpice 的电力电子电路仿真研究［D］.合肥工业大学硕士学位论文，2006.