張溪　譚理武　趙順禹

【摘 要】開關(guān)電源相對(duì)于線性電源具有效率、體積、重量等方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是高頻開關(guān)電源正變得更輕，更小，效率更高，也更可靠，這使得高頻開關(guān)電源成為了應(yīng)用最廣泛的電源。針對(duì)傳統(tǒng)的硬開關(guān)電源開關(guān)損耗大、工作頻率低的問(wèn)題，提出了一種ZVT-PWM BOOST變換器，通過(guò)采用輔助開關(guān)T1和諧振電路使主開關(guān)在零電壓下啟動(dòng)，降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)MATLAB/Simulink軟件對(duì)主電路進(jìn)行仿真，調(diào)整優(yōu)化相關(guān)的參數(shù)，得到理想的輸出電壓波形圖，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源；ZVT-PWM；軟開關(guān)；MATLAB

【Abstract】Switching power supply with respect to linear power supply efficiency， size， weight， and other advantages， especially high-frequency switching power supplies are getting lighter， smaller， more efficient， and more reliable， which makes high-frequency switching power supplies has become the most widely used power. This design for the traditional hard switch power switch problem of low loss， high operating frequency， ZVT-PWM BOOST converter is proposed， through the use of auxiliary switch T1 and resonant circuit main switch start at zero voltage， reduce the switching losses， increase switching frequencies.Design process simulation by MATLAB/Simulink software for primary circuit， adjust parameters to obtain the desired output waveform， the analysis of the matlab results proves the its feasibility and validity .

【Key words】Switching power supply；ZVT-PWM；soft switch；MATLAB

1.緒論

在電力電子器件中，磁性元件占總體的質(zhì)量和體積的比例最大，如變壓器、電感器、電容等。在硬開關(guān)的狀態(tài)下，開關(guān)的損耗和頻率成正比，開關(guān)頻率增大，開關(guān)的損耗也會(huì)隨之增大，電磁的干擾強(qiáng)度增加。引入輔助諧振電路，使主開關(guān)管在ZVT狀態(tài)下開通，在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷，有效降低開關(guān)的損耗和噪聲，減小電磁干擾。

軟開關(guān)技術(shù)的目的就是要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通和軟關(guān)斷，軟開通就是利用諧振電路，使得開關(guān)導(dǎo)通前，開關(guān)兩端的電壓先降為零，電流再慢慢升為導(dǎo)通值，避免了電的交疊，很大幅度的減小了開通損耗。另外寄生電容中的能量也可以通過(guò)輔助電路耗散，避免了容性開通問(wèn)題。軟關(guān)斷就是利用諧振電路，先把電流降為零，電壓在慢慢升到斷態(tài)值，同樣避免了電流電壓的交疊，減小了關(guān)斷損耗，降低了感性關(guān)斷帶來(lái)的影響。

為了提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低電源電路本身對(duì)能量的損耗，本文從軟開關(guān)技術(shù)入手，以ZVT-PWM BOOST變換器作為分析對(duì)象，運(yùn)用MATLABsimulink 仿真軟件設(shè)計(jì)一個(gè)高效率的開關(guān)電源。

2.ZVT-PWM BOOST變換器基本原理與特性分析

2.1 ZVT-PWM BOOST變換器基本原理

零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本思路是給主開關(guān)并聯(lián)一個(gè)緩沖電容，限制主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電壓上升率。在主開關(guān)導(dǎo)通前，要將緩沖電容的電壓降。到零，從而實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的零電壓開通。要使緩沖電容釋放電荷，需要添加一個(gè)輔助電路，先于主開關(guān)前導(dǎo)通。

零電壓轉(zhuǎn)換PWM BOOST電路的原理如圖1所示。在基本的BOOST變換器電路基礎(chǔ)上，加入了電感Lr、電容Cr、輔助開關(guān)T1、輔助二極管D2。形成的輔助諧振電路與主開關(guān)管T并聯(lián)，構(gòu)成零電壓PWM開關(guān)基本拓?fù)潆娐贰?/p>

在分析中，假設(shè)電路中的原件都為理想原件，忽略元件與線路中的損耗。電感L足夠大，因此可以忽略電流波動(dòng)，在一個(gè)開關(guān)周期中認(rèn)為為恒值；電容C也很大，因此在一個(gè)開關(guān)中期中認(rèn)為輸出電壓為恒值。

在ZVT-PWM BOOST電路中，輔助開關(guān)先開通，而主開關(guān)T開通后輔助開關(guān)就關(guān)斷了。諧振電路的震蕩過(guò)程都是集中于開關(guān)T導(dǎo)通前后的時(shí)間段。

下面分階段介紹變換器的工作過(guò)程，其主要波形如圖2所示：

以前，開關(guān)T、均處于斷態(tài)，升壓二極管D導(dǎo)通，此時(shí)由輸出電容C給負(fù)載供電，有，。

期間：時(shí)刻，導(dǎo)通，T處于斷態(tài)，由于此時(shí)二極管D仍然處于通態(tài)，電感兩端的電壓變?yōu)?，電流按線性迅速增長(zhǎng)，電流以同樣的速度線性下降。直到時(shí)刻，上升到，下降到零使得二極管D自然關(guān)斷。在實(shí)際電路結(jié)構(gòu)中，會(huì)出現(xiàn)二極管反向恢復(fù)的問(wèn)題，其原因是二極管的結(jié)電荷需要時(shí)間來(lái)進(jìn)行放電。

期間：與組成諧振回路，由于L很大，忽略諧振過(guò)程中其電流變化。諧振過(guò)程中的電流增加，中的電壓下降，時(shí)刻=0，開關(guān)T的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，被鉗位于零，而電流上升到最大值并保持不變。

期間：在該階段開始時(shí)，被鉗位于零，電感上的電壓為零，因此電流自由輪回，電流保持不變，這種狀態(tài)一直保持T的零電壓開通開通。

期間：在時(shí)刻，UC3842A/B檢測(cè)到T的漏極電壓為零，T在零電壓狀態(tài)下開通，所以沒(méi)有開關(guān)損耗。T開通的同使關(guān)斷，線性下降，中的能量通過(guò)向負(fù)載傳送，而主開關(guān)T中的電流線性上升。在t4時(shí)刻，剛好下降到零使得二極管關(guān)斷，主開關(guān)中的電流上升到，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。

期間：在時(shí)刻，中的電流下降到零，實(shí)際電路中與正極節(jié)點(diǎn)上的電容發(fā)生諧振。在時(shí)刻T關(guān)斷，T關(guān)斷時(shí)電壓會(huì)升上升，有效限制了其電壓上升率，降低了關(guān)斷損耗。

期間：T關(guān)斷后，電源給充電，線性上升。直到時(shí)刻上升到，主二極管D導(dǎo)通并開始向負(fù)載傳送能量，到時(shí)刻介紹并進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

2.2 變換器損耗分析

對(duì)于一般的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流與電壓交疊，形成開通損耗。此外開關(guān)管存在寄生電容，其在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生容性開通損耗。而在改進(jìn)的零電壓轉(zhuǎn)換電路中，主開關(guān)管是在零電壓狀態(tài)下開通，因此不存在硬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的兩種開通損耗。傳統(tǒng)的硬開關(guān)變換器，關(guān)斷過(guò)程中同樣存在電流下降的延遲和電壓上升的過(guò)快形成交疊，存在關(guān)斷損耗。而在改進(jìn)的零電壓轉(zhuǎn)換變換器電路中，開關(guān)管兩端并聯(lián)的諧振電容，有效降低開關(guān)器件關(guān)斷后的電壓上升率，所以功率開關(guān)的關(guān)斷損耗很小。零電壓PWM變換器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，還實(shí)現(xiàn)了二極管的軟關(guān)斷，消除了開關(guān)管的開通損耗，并且降低了開關(guān)管和二極管的關(guān)斷損耗。但是，通過(guò)加入輔助諧振電路開關(guān)損耗的同時(shí)，也增加了輔助諧振電路的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。因此只有權(quán)衡總損耗是否有效的被降低，軟開關(guān)帶來(lái)的作用才有實(shí)際意義。

2.2.1開關(guān)管的開關(guān)損耗

MOSFET的開關(guān)損耗主要由兩個(gè)方面引起的，一個(gè)是容性開通損耗，另一個(gè)是電壓和電流的交疊損耗。由于場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電容很大，而且導(dǎo)通時(shí)并聯(lián)的電容中儲(chǔ)存得有能量，并耗散到N溝道中，產(chǎn)生容性開通損耗。

2.2.3電路中輔助換流網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的損耗

輔助開關(guān)的開關(guān)損耗

輔助開關(guān)有效的降低了主開關(guān)的開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的零電壓?jiǎn)?dòng)，但是輔助管的開斷卻是硬性的，存在開通損耗。另外輔助開關(guān)一般不并聯(lián)吸收電容，因此不應(yīng)忽略其關(guān)斷損耗。

輔助電路可以去除主開關(guān)管的開通損耗，然而卻帶來(lái)了輔助換流電路的其他損耗。因此設(shè)計(jì)電路元件參數(shù)時(shí)，需要保證主開關(guān)損耗小于輔助換流電路的損耗，才能達(dá)到提高電路的總效率的效果，軟開關(guān)電路才具有實(shí)際意義。

根據(jù)初步分析，可用知道諧振電容的增大會(huì)使輔助電路的總損耗增加，因此選擇諧振電容值時(shí)不宜過(guò)大，另外諧振電感的值也影響輔助換流電路的損耗大小。電感的值越高，輸出紋波電流越小，相反紋波電流就越大，由于紋波電流是磁芯損耗的決定因素。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，電感應(yīng)取合適的值，而電容的取值應(yīng)盡可能小。

3.主電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.2 輸出濾波電容C設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸出電壓的紋波小于200mV，另外決定輸出濾波電容大小因素是其輸出保持時(shí)間?，F(xiàn)主要考慮保持時(shí)間，且輸出的電流不小于3A，則濾波電容C可由下式求出：

5.結(jié)論

根據(jù)仿真波形得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

5.1由波形圖可以看出，仿真結(jié)果與理論相符合，但也有部分細(xì)小區(qū)別，比如仿真輸出電壓比理論輸出電壓偏高。

5.2對(duì)比第3、4、5和8個(gè)波形圖中可以看出，在導(dǎo)通時(shí)呈線性上升，二極管D中電流線性下降，一段時(shí)間后，二極管電流下降到零。諧振電感與電容發(fā)生諧振，電容釋放能量，電感電流繼續(xù)上升，直到電容變?yōu)榱恪？梢钥闯觯藭r(shí)主開關(guān)管兩端的電壓為零，主開關(guān)管啟動(dòng)時(shí)是在零電壓狀態(tài)下啟動(dòng)。且主開關(guān)電流上升較軟，電路開通損耗近似為零。

5.3從輔助開關(guān)的波形可以看出，輔助開關(guān)的通斷都在硬開關(guān)狀態(tài)下，存在開關(guān)損耗，對(duì)電路的轉(zhuǎn)換效率存在影響。因此本次設(shè)計(jì)仍然有需要改進(jìn)的地方，以使輔助開關(guān)同樣實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

5.4輸出電壓比理想電壓偏高，初步分析其原因在于，諧振電感上的能量通過(guò)傳輸?shù)截?fù)載端，使得輸出端的電壓相對(duì)偏高。其次，整個(gè)電路設(shè)計(jì)的帶載能力有待提高。

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項(xiàng)目：南昌工程學(xué)院大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃20141047；南昌工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（國(guó)家級(jí)）201311319014。