基于耦合电感软开关BUCK变换器的探讨

吴玉聪 公诚管理咨询有限公司

引言：BUCK是一种最基础的开关变换器。鉴于它的优质特性，目前已经在多个领域得到了广泛应用。伴随着现代电子技术的快速发展，小型化、轻质化、高可靠性以及高功率密度已经成为其未来的重要发展方向，同时必然伴随着更高的开关频率。然而实际工作中，开关频率的提升，不但会提升转换器开关元器件的损耗，还会降低转换器的效率，从而影响其性能。软件开关技术方面，为了更好地解决这一问题，可以采用零电压开关或零电流开关的状态，从而有效抑制对电压和电流开关元件的影响。同时，开关元件对电力的消耗降低，其效率和变换器的稳定性会有所提高。软件开关技术的实现，减少了散热装置的数量，虽然开关频率有所提升，但是负荷量却相应减少。在此背景下，可以采用零电压和电流开关来改良转换器。基于耦合电感的软开关BUCK变换器不但应用了软交换技术，还提升了开关关转换器的效率，使得相关设备的操控变得更加简单。

1 软开关BUCK变换器原理

本文对大量的BUCK软开关变换器进行研究，通过对这些变换器的对比、分析以及总结，认为提出的BUCK变换器具有更好的效果，其效果图如图1所示。

图1 BUCK软开关变换器

从图1得知，S1为电源开关，二极管D1、D2是续流和辅助二极管，L1和L2相结合构成耦合电感，L3是过滤器。在软件开关降压转换器内实现了全部开关元件的软件开关技术，完成了零电压开通以及零点六关断的重要技术。作为主开关管S1的开口部的电流变为零，实现了连续电流二极管D1的开通以及关断的零电压和零电流，同时实现了辅助二极管D2开通和关断的零电流与零电压。这样在软件开关状态下，可事先将所有的开关元件开通和断开，从整体上提升了变换器的使用效率。

由相关研究可知，软开关BUCK转换器是需要间歇地在导通模式下操作的软件开关。因此，实际运行中滤光器L3的值需要减小。滤光器L3阻塞值组合的互通器可以在DCM下工作，且滤光器的值无限趋近于零时，连续电流二极管D1支路基本上不会发挥任何作用。因此，使用连续电流二极管D1的连接器代替的滤光器，在相反的电源开关中集成二极管，得到了改良型开关。图2显示了zerovoltageswching（zva）和零电流开关（zericurridswching，zcs）的BUC变换器的拓扑结构。

图2 改进型ZVS-ZCSBuck变换器

S1为电源开关，Mosfet Ds是电源开关管Mosfet的集成。耦合电感器为图2中的L1和L2，Cr为共振电容器一连续电流二极管，零电压和逆并联二极管Ds clampin作为开关。

改良型软件开关降压转换器和传统的电感开关转换器主要的区别在于两个方面。

（1）主开关管S1对软开关的控制方法有所差异。改良前的开关在开通时，开关管电流为零。滤波器电感器L3和满足相互电感M3的结合，通过电流电感器I3被屏蔽，主开关打开前的电流零，实现了零电流控制。耦合电感器L2、开关管的耦合电感L1、关机和共振容量谐振电路，形成了Cr。然后，开关管两端电压zero逆并联二极管Ds的夹具效果，实现了开关的零电压控制。

（2）电感耦合模式不同。耦合电感的作用是电流I3断续后继续为负载提供能量以提高电路的效率，而且变换器性能跟耦合电感的匝数比无关。改良之后的BUCK变换器耦合电感L1不但具备常规BUCK并对其电感的滤波功能，同时还能够和谐振电容Cr共同组成谐振电路，从而确保开关两侧电压在开通之前能够下降到零，并并通过反向并联二极管DS的钳位作用使其始终处于零的状态，最终保障主开关零电压进行开通。与此同时，耦合电感L2和其中的续流二极管D1实施有效串联，为确保其零点六开关奠定了良好的基础。

2 耦合电感器的设计和分析

电感在BUCK变换器中拥有着非常多的功能，比如能量存储以及转换，能够有效的应对电流冲击。一般来讲，磁性元件的体积以及重量都相对较大，它们可以占据到BUCK变换器的1/5，甚至在某些特殊场景中，磁性元件的体积以及重量可以占据到1/2以上，因此，通常来讲，电感的体积以及重量可以对变换器的大小以及重量产生决定性的影响。要想使得变换器变得更小、更轻，就必须要研究高频化以及轻型化的电感。耦合电感线圈之间的漏磁通和漏感以及耦合电感匝数比的改变等都会对变换器产生很大的影响。因此，耦合电感器的合理的设计优化匝数比的变化降压转换器的改善重要的研究。

2.1 耦合电感优化

耦合系数，线圈的反对方面通过结合线圈侧发生的磁通的大小来决定的。小小的耦合系数和结合的线圈高输出的情况下的应用不适合，高输出的情况下发生的磁场，某种程度上小小的耦合系数的结合线圈的磁电路的方向变化，所以，然后又p，misflow和磁滞损失等的问题制作。大耦合系数的耦合电感线圈之间的泄漏和能源损失可以减少，装置本身而言，周磁场削弱的影响。选择正确的核心结合性能和线圈的磁通密度会提高，电力减少损失。

3 耦合电感器

3.1 线圈的线径的选择

耦合电感的性能是由焊丝直径、趋肤的深度来决定的。使用周波数大于f（hz），表皮效果很大。趋肤深度（cm）的额定周波数相关。趋肤的深度和周波数的关系，多数的作为数据的表现为：

改进型Buck变换器的开关频率为50kHz，将其带入上式可得

漆包线直径的选择通常情况下按照导线直径应小于二倍的趋肤深度的准则，因而导线直径d有

从上述的公式以及其结果可知，线径的漆包线可选择从理论上可见。但是，高周波数动作耦合电感器的表皮的效果。因此，耦合电感器的绕组的情况下，多钢绞线绕组和绕组方法通常被采用。这的目的是，各线的高周波工作下的不均匀电流分布，为了交流阻抗可减少，有效电线的损失可以减少。

3.2 耦合电感器

电感耦合磁性材料和磁性形状与漆包线直径后，耦合电感卷被。本文在圆形的耦合电感器的匝数比1，2，3的上弦分别，图3所示。两个红色outends（左侧的2个左侧）的耦合电感器的另一方面，两个青outends（右侧的两个方面）的耦合电感器的对面。他们之间，红色与青的上端出线同样的名字一结束，红色和青下端相互结束这个名字的引出线。

图3 圆形耦合电感

第二，对结合因子的优化，简单地介绍了核心的核心材料和形状。在全面的考虑之后，为了减少锰锌纤维材料的旋涡电流和稳健损失，作为磁性材料选择，不仅仅是作为坦克的结构的磁形的手，也提高了结合体的干扰防止能力。

而且，被改良的背景转换器 耦合电感器的数量的改变的影响的分析。原理分析及公式导出通过耦合电感器和改良的背景转换器的电压和电流开关二极管的应力转数比的关系得到。

4 结束语

长时间以来，能源的有效利用以及高功率密度开关转换器始终是很多专家与学者的研究课热点。因此，在研究中，许多学者提出的多种软件开关降压转换器，但是，这些降压转换器在一定程度上还是存在有各种各样的一些问题。例如，一些额外的谐振电路，开关管的两端高电压和电流过大的冲击，过多的辅助、电容器、二极管以及其他电感元器件的增加，这样，无疑会提升其功率，加大能源的损耗，同时不利于其可靠性的提升。

鉴于上述问题，本文的研究中提出了基于耦合电感的降压转换器，即软开关BUCK变换器。（1）对改良之后的BUCK变换器原理展开了探讨，并对其控制方法展开了论述，从而确定了改变换器的使用条件和使用性能，最终认为，改良之后的变换器需要工作在断续导电模式之下，才可以有效地完成各个开关元件的软开关方式。（2）耦合电感在改良之后的转换器中拥有者非常关键的作用。通过构建相关的数学模型，然后开始对各个部件实施优化，更加深入的分析耦合电感的匝数对变换器性能产生的影响，最终得出最为优质的改良方式，保证了改良BUCK变换器的性能。（3）被改良的转换器间歇性地导电模式下运行，凯以实现零电压开通和零电流的闭合，开通零电压以及闭合零电流的实现都是通过续流二极管来进行实现的，另外。改良之后的BUCK变换器所包含的电路以及电器元件数量有所减少，因此其操作和控制更加的便捷，其稳定性有所提升。