一种无辅助开关的DC－DC变换器软开关建模与仿真

杨儒龙，刘述喜，李科娜

（重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆400054）

随着科技和生产的发展，双向DC－DC变换器被更多的应用于工业领域。常用的半桥双向DC－DC变换器一般有两个开关管，在电流连续的模式下，这两个开关管将处于硬开关状态，具有较大的开关应力，使得电路在高频运作情况下产生较大的开关损耗。传统的零电压转换（ZVT）方法和零电流转换方法是应用于半桥双向 DC－DC 转换器的有效的软开关技术［1－4］。但是，由于换相问题的存在，对于双向ZVT拓扑至少需要两个辅助开关。同时，辅助开关的控制时序与主开关不同，这会增加双向转换器的控制复杂度［5－6］。

为了减小控制复杂度，有些学者增加耦合电感和二极管来实现软开关，但是增加的辅助二极管会带来额外的损耗，使得电路在重载运行下效率很低。也有学者通过增加LC串联谐振电路来实现软开关［7－8］，这种拓扑不需要增加额外的开关管，损耗也相应的较少。

本文所研究的双向DC－DC拓扑结构，只使用一个谐振电感和两个电容就可实现软开关的作用。本文首先对电路拓扑进行了分析，然后分析了Buck模式下的工作原理，最后利用pspice搭建仿真电路模型，验证了理论分析的正确性。

图1 变换器电路拓扑

1 拓扑结构分析

半桥双向DC－DC变换器的电路拓扑如图1所示。

图1中有三个辅助元件：一个谐振电感Lr，两个辅助电容C1和C2。其他的主要元器件包括：

S1、S2是主开关，Cr1和 Cr2是其寄生电容，Dr1和Dr2分别是S1和S2的体二极管；L是主电感，Ch是高压侧滤波电容，Cl是低压侧滤波电容。

由图1可知，ir为正时，可以实现S2的零电压导通，ir为负时，可以实现S1的零电压导通。C1和C2储存能量，并向Lr释放，让ir电流换向，这样就能实现S1和S2的零电压导通。当S1导通时，C1放电，C2充电，与此同时ir由正变负，负的ir值会使S1实现零电压导通。当S2导通时，C1充电，C2放电，与此同时ir由负变正，正的ir值会使S2实现零电压导通。储存在C1和C2中的能量向L释放，而在L中的电流纹波会很小。当开关管关断时，寄生电容Cr1和Cr2也可以减小S1和S2两端的电压上升率。

2 Buck工作模式

一个开关周期内，在Buck工作模式下，变换器存在如图2所示的8种工作模态，在各阶段电路中的主要工作波形如图3所示。

图2 变换器工作模态及其等效电路

图3 Buck工作下主要波形图

模态1［t0～t1］，图2（a）：t0时刻S1关断，Cr1开始充电，Cr2开始放电，充放电过程为S1提供了ZVS条件。在这个模态下i1、ir从正值开始衰减，i2从负值开始上升，v1下降，v2上升。

模态2［t1～t2］，图2（b）：t1时刻，Cr2的电压下降到0，Dr2导通，S2两端的电位被钳位到0，为S2的导通提供了零电压条件。在这个模态下i1、ir、i2、v1和v2与模态1相同。

模态3［t2～t3］，图2（c）：S2在t2时刻零电压导通，i1、ir和i2模态1相同。当ir等于iL时，v1达到最小值，然后v1开始上升，v2开始下降。

模态4［t3～t4］，图2（d）：t3时刻，ir下降到0，i3时刻之后，ir变成负值。在这个模态下，v1和v2与模态3相同。从模态2到模态4，根据KVL和KCL可得：

式中，vL是电感L两端电压，vr是电感Lr两端电压。由式（1）可得：

模态5［t4～t5］，图2（e）：t4时刻S2关断，Cr1开始放电，Cr2开始充电，充放电过程为S2提供了ZVS条件。在这个模态下i1、ir从负值开始上升，i2从正值开始下降，v1上升，v2下降。

模态6［t5～t6］，图2（f）：t5时刻，Cr1的电压下降到0，Dr1导通，S1两端的电位被钳位到0，为S1的导通提供了零电压条件。在这个模态下i1、ir和i2、v1和v2与模态5相同。

模态7［t6～t7］，图2（g）：t6时刻，S1零电压导通，i1、ir和i2、v1和v2与模态5相同。

模态8［t7～t8］，图2（h）：t7时刻，ir上升到0，t3时刻之后，ir变成正值。当ir等于iL时，v1达到最大值，然后v1开始下降，v2开始上升，i1、ir和i2与模态5相同。从模态6到模态8，由KVL和KCL可得：

将式（2）代入式（4）有：

3 仿真验证

为了验证相关理论的正确性，在pspice中搭建仿真电路模型如图4所示。

图4 系统仿真模型

其中，仿真电路具体参数如表1所示。

表1 电路元件参数表

其中，S1，S2，C1、C2和iL的相关仿真实验波形如图5、图6、图7和图8所示。

从图5（a）和（b）可以看出S1实现了软开关状态。从图6（a）和（b）可以看出S2实现了软开关状态。由图5（b）可得，当Us1下降为0时，is1和UGS1开始上升，这便得到了S1的ZVS条件。从图6（b）可以看出当Us2下降为0时，is2和UGS1开始上升，这便得到了S2的ZVS条件。图7是辅助电容C1、C2的电压和电流波形，其波形和理论相符合。从图8可以看出，此时iL的波形基本趋于稳定，电流纹波很小。由仿真结果可知，本文的软开关拓扑可以有效的减少iL中的纹波。

图5 Buck模式下S1的ZVS波形

图6 Buck模式下S2的ZVS波形

图7 Buck模式下C1、C2两端波形

图8 Buck模式下iL波形

4 总 结

本文介绍了一种非隔离的DC－DC软开关拓扑，在不引入辅助开关的基础上，通过几个储能元件实现开关管的零电压导通。对该拓扑Buck模式下的工作原理进行了分析。最后通过仿真实验，实现了Buck模式下的ZVS，仿真结果验证了相关理论的正确性。