基于耦合电感的新型Buck软开关的研究

杨玉岗，丁晶晶，赵若冰，许 静

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

Buck变换器作为一种最基本的DC/DC变换器被广泛应用到燃料电池、电动汽车、通信以及航天等各种领域。随着科技发展的日新月异，对变换器体积小、重量轻以及可靠性的需求越来越高。高频率可以有效减少变换器的体积和重量，但同时也增加了变换器的开关损耗。 提高变换器的效率，国内外学者提出软开关技术[1]。针对大多数软开关中满载时效率可以得到有效提高、而轻载效率不高这一问题，本文提出一种改进型的Buck软开关，其辅助回路主要由一个与主电感反向耦合的电感，一个小的电感和一个二极管组成。主开关MOSEFT管在零电流开关ZCS（zero current switching）下导通，在零电压开关ZVS（zero voltage switching）下关断，且流过小电感的电流不连续。本文分析了改进型Buck软开关的拓扑结构和工作原理，并通过仿真和实验验证了该新型Buck软开关的可行性。

1 电路的拓扑结构和工作原理

新型Buck软开关的拓扑结构如图1所示。图中，L1为主电感，电感L1和L2完全耦合。S1和D1为主要的功率开关，D2为附加的二极管。L1、L2和L3理论上的电压波形如图2所示。因为L3非常小，i3的下降速度要比i1下降速度快，因此在S1导通之前i3已经减小到0，即实现了S1在ZCS下导通。由于缓冲电容Cr1，可实现S1在ZVS下关断。Cp1为S1的寄生电容。

图1 新型Buck软开关的拓扑结构Fig.1 Topology of the novel Buck soft-switch

图2 各电感理论上的电压纹波Fig.2 Theoretical voltages ripper of different inductors

图2中，根据电感电压的纹波可将变换器的一个工作周期分为5个工作模态，图2中kij表示不同的电感电流在不同的模式下的斜率，i表示电感，j表示不同的工作模态。其等效电路如图3所示。

各模态的分析如下：

模态Ⅰ[t0-t1]：如图3（a）所示，在t0时刻之前变换器工作在电流储能状态，i3和is1均为0；在t0时刻，S1触发导通。is1由于L3的存在而缓慢增加，此时，Buck变换器进入 ZCS模式，i1和i3逐渐增加，i2减小。由于L3非常小，其电流的上升率远大于L1的电流上升率。在 t1时刻 i1=i3，i2=0，D2关断。根据KVL和KCL可知

图3 各工作模态等效电路Fig.3 Equivalent circuits in different operation modes

则电感L1、L2、L3两端的电压分别为

因为L1和L2完全耦合，所以由式（1）和式（2）可得各电感在模态Ⅰ中的斜率分别为

模态Ⅱ[t1-t2]：如图3（b）所示，在t1时刻之后，i1和i3相等且呈线性增长。故在此模式下D2始终反向截止，L2所在支路不工作。在t2时刻S1关断。在此模式下该变换器为常规Buck变换器，C1对负载供电，可得各电感L1、L2、L3在模态Ⅱ下的斜率为

模态Ⅲ [t2-t3]：如图3（c）所示，L3与Cp1、Cr1产生共振，在此期间内Cp1充电、Cr1放电，当Cr1减小到0时，D1导通。

模态Ⅳ [t3-t4]：如图 3（d）所示，先假设 D2没有导通，L1和L2的匝数分别为n1和n2，所以

根据KVL可知

故可以得到

在L3＜M时D2导通。D1导通，对L1充电，由于L1和L2完全反向耦合，i3减小，则有

将式（2）代入式（9），可得各电感在模态下的斜率为

模态Ⅴ [t4-t5]：在t4时刻，D1关断，在L3和Cr1产生一个小的共振，此时，i3在0附近上下振荡，且振幅非常小，故i3在此模式下始终为0。如图3（e）所示，电流只流过L1和L2，且i1=i2，则各电感在该模态下的斜率为

2 实验验证

2.1 主电路的设计

为了确保Buck变换器可以工作在软开关的条件，必须对其构成参数进行合理设计，特别是L1、L2、L3的选取。由于L3的电流不连续才可以实现软开关。随着负载电流的增加，L3的电流保持为0的持续时间将减少到0，L3将工作在CCM下，即不能实现软开关。因此，应选取CCM和DCM的临界状态BCM来计算主电路的参数。假设该Buck变换器在理论最大负载的情况下工作在BCM下，其理论的电感电流波形如图4所示。在此设计中，理论最大负载为实际最大负载的1.1倍。

图4 BCM下电感电流的理论纹波Fig.4 Theoretical waveforms of inductor currents in BCM

如图4所示，在BCM下没有模态Ⅴ发生。且因为模态Ⅲ的持续时间非常短，在计算电感参数时均不予考虑，故一个开关周期被分为3个区间。根据各电感电流的大小及斜率可知

式中：电流 I1.L1，I2.L1，I3.L1，I1.L3，I2.L3和 I3.L3通过理论最大平均负载电流和电感电流纹波系数获得；T是开关周期。Δt1、Δt2、Δt3、L1、L2和L3通过式（10）可以求出，且D=（Δt1+Δt2）/T。该Buck变换器的目标参数如表1所示。

PSpice软件根据表1和表2中的参数进行仿真，在理论负载最大值为18.4 A时，其电感电流的波形如图5（a）所示，在实际最大负载电流为16.7 A时，其电感电流波形如图5（b）所示。由图5可知，i3在很短的时间保持为0，即此时存在模态Ⅴ，且可实现ZCS开启。

表1 Buck变换器的目标参数Tab.1 Target specifications of Buck converter

表2 各电感及持续时间的计算结果Tab.2 Calculation results of inductances and corresponding time durations

图5 电感电流的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of inductor currents

2.2 实验结果

在此模式的测试中样机的电压较高一侧的值V2=26 V,电压较低一侧的值V1=8.1 V，占空比D= 0.4，每通道开关频率fs=50 kHz。电感L1=18 μH，L2=L3=3 μH，电容值Cr1=4 700 μF。用霍尔电流传感器CHB-25NP检测电流的电压，图6为实验测试系统。

L3和S1在最大输出功率200 W时的电流波形和开关波形如图7所示。图7（a）示出了在一个开关周期的波形，其中，L3的电流在S1触发前短时内一直为0。

图6 实验测试系统Fig.6 Test system used in the experiment

S1的导通过程如图7（b）。在门栅极触发信号VGS1被施加之后，is1电流缓慢增加，此时实现ZCS。在图7（c）中，S1关断，当关断触发信号被施加，is1急剧减小到0，随之Vs1增加到Vin，此时实现ZVS。

图8 不同输出功率下的效率对比曲线Fig.8 Comparison curres of efficiency at different output power

所提出的新型Buck变换器的效率曲线如图8所示，在轻载时，变换器的转换效率为94.57%，可以看出新型Buck软开关变换器有效地提高了变换器的轻载效率，扩宽了高效率的运行区间，与硬开关方式相比效率明显提高。

3 结语

本文提出了一种基于耦合电感的新型Buck软开关技术，经过详细的理论分析和主电路设计方法的讨论，建立变换器模型。通过实验结果验证了可以通过开关S1实现ZCS的开启和ZVS的关闭，利用开关S1的切换来实现所提出新型软开关的技术。通过这种新型Buck软开关技术可以有效减小开关损耗，提高变换器的效率。

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