夏守行毛小群

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，浙江 溫州 325003 2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子學(xué)院，重慶 401331）

一種新型無源軟開關(guān)BUCK變換器的設(shè)計

夏守行1毛小群2

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，浙江 溫州 325003 2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子學(xué)院，重慶 401331）

在一個較大功率的Buck變換器的主開關(guān)電流通路上，串入一個小電感，以實現(xiàn)主開關(guān)的零電流開通。當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時，小電感的續(xù)流電能供給冷卻風(fēng)扇電路，轉(zhuǎn)化為機械能釋放，用于功率器件的降溫，并同時實現(xiàn)風(fēng)扇風(fēng)速隨輸出功率增大而變快的目的。而主開關(guān)的零電壓關(guān)斷，則由一LC諧振電路來實現(xiàn)，該諧振電感的主要部分并不串在主電流通路上，諧振電感量可選得大一些，可明顯降低諧振電流的峰值。本文分析了軟開關(guān)的工作過程，推導(dǎo)了元件參數(shù)的選擇方程，并通過分析和實驗表明了電路設(shè)計的正確性。

Buck變換器；軟開關(guān)；冷卻風(fēng)扇；LC諧振電路

Buck變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、效率高等諸多優(yōu)點，是一種應(yīng)用較為廣泛的電路。但硬開關(guān)方式的Buck變換器，存在開關(guān)損耗高、電壓電流應(yīng)力大等諸多問題，而軟開關(guān)方式的Buck變換器，就能較好地解決這些問題。根據(jù)有無輔助開關(guān)管，軟開關(guān)技術(shù)可以分為有源軟開關(guān)技術(shù)和無源軟開關(guān)技術(shù)；如按技術(shù)發(fā)展歷程分，常有準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路、零轉(zhuǎn)換PWM電路等幾種類型[1-3]。其中傳統(tǒng)的準(zhǔn)諧振電路的諧振電壓峰值較大，對器件要求提高，而后兩種電路常引入了輔助開關(guān)，為有源軟開關(guān)電路，能較好地實現(xiàn)主電路的軟開關(guān)。但只有輔助開關(guān)也處于軟開關(guān)工作時，才能實現(xiàn)全軟開關(guān)工作[4]，控制又變得相對復(fù)雜，相比而言零轉(zhuǎn)換PWM電路的諧振電路不在主回路上，受主回路影響較小。而無源軟開關(guān)電路因無需輔助開關(guān)而有控制簡單、可靠性高等優(yōu)點，目前仍是Buck變換器較好的選擇[5]。

具體到主開關(guān)器件，零電流開通和零電壓關(guān)斷是軟開關(guān)常用的一種方法。其中零電流開通可在主開關(guān)器件通路上串聯(lián)一個小電感來實現(xiàn)，但通常還須一個電容與其構(gòu)成諧振電路，由于該電感在主電流上，考慮阻性損耗，其電感量通常不大，則諧振電流會較大。而本文是把該電感的續(xù)流能量供給主功率器件的冷卻風(fēng)扇，轉(zhuǎn)為機械能釋放，零電流開通無需 LC諧振電路，電路設(shè)計將變的較靈活。主開關(guān)關(guān)斷后，由一個充有電荷的電容放電而換流，是零電壓關(guān)斷常用的一種方法，該電容的充電也可用 LC諧振電路，由于采用簡單的電感、電容和二極管串聯(lián)構(gòu)成的半周諧振電路，如產(chǎn)生的是零狀態(tài)響應(yīng)，則串聯(lián)電容可能有接近雙倍電源的電壓值，不能直接用于零電壓關(guān)斷。如把該電容分成兩個電容串聯(lián)，單個電容的電壓值就與電源電壓基本相等，可較容易實現(xiàn)零電壓的關(guān)斷，本文對該零電壓關(guān)斷方法在 Buck電路中的情況進行了分析以及參數(shù)選擇計算。下文將具體分析該新型無源軟開關(guān)電路。

1 新型Buck軟開關(guān)主電路

主電路如圖1所示，VC為輸入直流電源電壓，C1為電源濾波電容。S為主開關(guān)，L2為主儲能電感，電感量較大，VD1為其續(xù)流二極管，設(shè) L2和 VD1的電流分別為 iL2和 iD1。L1的電感量較小，通過的電流為 iL1，L1實現(xiàn)了 S的零電流開通，VD5為 L1的續(xù)流二極管，L4為共模濾波器，可減小風(fēng)扇引線引起的干擾，RF為風(fēng)扇等效電阻，va和vb分別為L1左端和右端的電壓。

圖1 主電路拓撲

LC諧振電路由C2、C3、VD3、L1和L3構(gòu)成，且 L3＞＞L1、C2=C3=C，C2和 C3的充放電情況是相同的，iC為C3電流，VD2和VD4分別為它們的放電通路。C4為濾波電容，RL為負載，VO為輸出電壓，為便于分析，輸出可等效為一個電壓源。

2 主電路工作波形

圖1主電路工作波形如圖2所示，vg為S的控制波形。在t0前，S為關(guān)斷，若L2電感量足夠大，VD1仍處于續(xù)流狀態(tài)。從t0時刻起，電路共有5個工作模態(tài)，各個模態(tài)等效電路如圖3所示。

圖2 電路工作波形

圖3 各模態(tài)等效電路

模態(tài)一：t0～t1時段，S導(dǎo)通，vb≈0，iL2仍線性減小。iL1即為開關(guān)S的電流，iL1從零開始線性增大，iD1則減小，iL2從VD1向L1換流，至t1時結(jié)束。

模態(tài)二：t1～t2時段，S仍導(dǎo)通，由于L3＞＞L1，vb數(shù)值較接近于 VC，iL2也近似線性增大。LC諧振電路諧振，iL1由兩部分組成，有iL1=iC+iL2，此時段iC即為諧振電流。至t2時因VD3的反向偏置而諧振半周后結(jié)束，C2和C3充電后，其端電壓與VC基本相等。

模態(tài)三：t2～t3時段，S仍導(dǎo)通，vb≈VC。此時段iL2線性增大。

模態(tài)四：t3～t4時段，S關(guān)斷，vb逐漸下降，iL2減小。L1的續(xù)流能量通過VD5向C5充電，由風(fēng)扇轉(zhuǎn)化為機械能釋放。另外，S關(guān)斷后，VD2和VD4導(dǎo)通，iL2轉(zhuǎn)由C2和C3上的電荷提供，實現(xiàn)了S的零電壓關(guān)斷。至t4時，C2和C3上的電荷放電完畢，iL2向VD1換流。

模態(tài)五：t4～t5時段，S仍關(guān)斷，vb≈0。VD1導(dǎo)通，為L2續(xù)流，iL2線性減小，至t5時結(jié)束，下一周重新開始。

圖2和各模態(tài)的分析均基于L2工作于電流連續(xù)CCM（continuous current mode）模式，在體積允許的條件下，L2電感量選得大一些更為有利，在較大功率輸出時，可保證 L2工作于 CCM 模式，且 iL2波動也不會過大。如L2電感量選得較小，雖可減小L2的體積，但在較大功率輸出時，iL2波動范圍如仍過大，甚至L2將工作于電流斷流DCM（discontinuous current mode）模式，則過大的 iL2變化分量，使得L2發(fā)熱量變多，且C4濾波不易。由圖2知，iL2的峰谷值分別為It3和It1，則iL2波動量為It3?It1，在最大功率輸出時，在工程上一般可取

L2電感量計算，可再參考后文的式（4）和式（5），下文的分析均工作于CCM模式。

3 諧振元件設(shè)計

3.1 L1電感量選擇

在S即將關(guān)斷的t3時刻，iL1=iL2=It3，L1儲存的磁能只能通過RF轉(zhuǎn)化而釋放，則

式中，f為開關(guān) S的工作頻率，PF為風(fēng)扇功率。實際軟開關(guān)時間均很短，iL2的增大和減小基本上仍為線性，通過L2的電量等于負載的電量，有

式中，IL為RL的電流。當(dāng)變換器輸出電壓一定時，由式（3）可知，It3會隨輸出功率的增大而增大，開關(guān) S和 VD1的發(fā)熱必增多，式（2）表明風(fēng)扇功率也同時跟著增大，實現(xiàn)了風(fēng)扇風(fēng)速隨輸出功率而自動調(diào)節(jié)的功能，節(jié)約了風(fēng)扇的能量損耗，更延長了風(fēng)扇的壽命。

采用了軟開關(guān)的變換器，發(fā)熱量較多的器件是S和VD1，其主要為通態(tài)損耗。從理論上講，可由S和VD1的電流規(guī)律和器件特性算出熱損耗，進而確定散熱器和PF。不過PF的選擇用實驗的方法也較方便，即讓Buck變換器以最大功率輸出，冷卻風(fēng)扇電源暫時外接，選定合適的 PF風(fēng)扇后，可由式（2）得出L1的值。

如模態(tài)一和模態(tài)四的持續(xù)時間相對于S的導(dǎo)通時間很短，且L2工作于CCM模式下，硬開關(guān)Buck變換器的輸出電壓式子 VO=VCδ 仍然適用，δ 為 vg的占空比，則 L2的峰谷值電流分別為式（4）和式（5）所示[6]，即

由式（2）和式（4）可解得L1的最小值L1min，為

但該值還應(yīng)校驗?zāi)B(tài)一的時間，工程設(shè)計中，零電流開通時間可選

式中，T為開關(guān)S的開關(guān)周期。在模態(tài)一時段內(nèi)，iL1線性增大，至t1時iL1=It1，有

由式（5）、式（7）和式（8）得L1最大值L1max為

計算后，如L1min反而大于L1max，說明需要的風(fēng)扇功率較大，但L1電感量過大時會限制S的開關(guān)頻率，還會增大L1的體積和損耗，這時須把一部分風(fēng)扇功率另接電源供電，或者適當(dāng)減小L2的電感量，但應(yīng)注意L2的電流波動不能過大。相反，如L1min＜L1max，說明S和VD1的發(fā)熱并不多，風(fēng)扇功率可用得較小，可適當(dāng)增加L2的電感量。

3.2 諧振電容量和L3電感量選擇

在模態(tài)二時段，iL2變化率比iC小得多，可忽略iL2的變化因素，則諧振電路方程為

式中，vC為諧振 電容端電壓，RS為諧振電路電阻，VD為二極管通態(tài)壓降，解得

在t2時刻，即ωt=π，由式（12）可解得兩諧振電容端電壓等于VC，為S零電壓關(guān)斷做好準(zhǔn)備。諧振電容電流iC為

由式（13）可知，當(dāng)C為一定值時，電感量L越大，諧振電流峰值就越小。由于L3不在主電流通路上，L3可選得大一些。如設(shè)iC的峰值電流與負載最大電流ILmax的比值為k，則

一般認(rèn)為，當(dāng) k小于 0.5時，諧振電流峰值就不算過大了，則有

由式（15）可求得L的最小值，即

在模態(tài)四時段，iL2≈It3，C2和C3所充的電荷分別通過VD2和VD4向負載釋放，放電時間TD為

如取TD與S關(guān)斷時間toff相等，得

式（18）即為諧振電容容量選擇參考。

當(dāng)主電路工作時，如 LC諧振電路的半周諧振是完整的，則vg的PWM脈沖最小占空比δmin為

則輸出最低電壓VOmin為

由式（20）得

式（20）和式（21）表明，如要保證半周期諧振的完整性，L的參數(shù)將影響B(tài)uck變換器的最低輸出電壓。也即只要輸出最低電壓允許，L3參數(shù)可選大一些，以降低諧振峰值電流。

4 實驗計算和結(jié)果

為驗證理論分析的正確性，制作了一個輸出電壓15～80V，最大電流為17A的BUCK軟開關(guān)變換器，輸入電壓300V直流電。開關(guān)S為IGBT管，型號IRG7PH46U，VD1—VD4型號為DSEP 30-12A，L2選460μH，f =25kHz。

由上述實驗要求和條件可得vg的PWM脈沖最大占空比δmax≈0.267，在最大功率輸出時，由式（4）和式（5）得It3?It1=0.3IL，L2的電流波動符合式（1）要求。查IRG7PH46U的參數(shù)toff為0.48μs，由式（4）和式（18）解得C=15.6nF，本文選22nF。由式（21）得L最大電感量為37μH，由式（16）得L最小電感量為10μH，本文選12μH。由于L1在主電流通路上，考慮L1的阻性損耗和體積，L1的電感量應(yīng)選得小一些，初定為1μH，則L3=11μH，L3不在主電流上，可用細一些導(dǎo)線制作，體積并不大。

實驗中，功率管VD1和S裝在稍大的散熱器上，并在其上壓上一片較小的散熱片，使散熱更充分一些，現(xiàn)場室溫為 14.3℃，讓電路工作于最大輸出功率狀態(tài)。實驗以保證功率管VD1和S上較小的散熱片溫度不超55℃為例，實際中可在老化環(huán)境溫度中，以功率管的基板溫度不應(yīng)超過 85℃選擇[9]。經(jīng)調(diào)試后，用12V 0.3A的風(fēng)扇較合適，溫升穩(wěn)定后，用紅外熱成像儀測得VD1和S的體表散熱片溫度分別約54℃和 40℃。因δ 值較小，VD1導(dǎo)通時間更長，故VD1溫度會高一些。

那么風(fēng)扇功率 PF=3.6W，由式（2）和式（4）算得L1=0.75μH，本文選=0.9μH，則L3=10.1μH。把軟開關(guān)BUCK電路重新置于現(xiàn)場室溫14.3℃的環(huán)境中并以最大功率工作，風(fēng)扇改由軟開關(guān)電路提供，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇上的電壓為 12.8V，在 C5兩端并上一只360Ω的電阻后，風(fēng)扇電壓約為12V。溫升穩(wěn)定后，用紅外熱成像儀測得VD1和S體表散熱片溫度如圖4（a）和圖4（b）所示，分別顯示為52.6℃和38.9℃。如把該BUCK電路中的軟開關(guān)電路全部拆除，以常規(guī)硬開關(guān)方式工作測得的溫度如圖4（c）和圖4（d）所示，分別顯示為62.9℃和50.6℃。

圖4 功率器件溫度

由圖4可較明顯地發(fā)現(xiàn)：采用了圖1所示的軟開關(guān)后，在本文實驗條件下，功率器件溫度可大約降低10℃左右。

圖5所示為主開關(guān)S的開通和關(guān)斷的波形，vce為主開關(guān)S的C極與E極間的電壓，is為開關(guān)S的電流。圖5表明：本文的軟開關(guān)電路，能較好地實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗。

圖5 軟開關(guān)波形

5 結(jié)論

通過對該新型軟開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)和原理的分析和實驗驗證，新電路的特點：

1）較適合于風(fēng)扇冷卻的 BUCK變換器，一定程度上風(fēng)扇風(fēng)速可自動調(diào)節(jié)，容易實現(xiàn)零電流開通。實際上許多的較大功率的Buck變換器在設(shè)計時，是采用風(fēng)扇冷卻的，本文電路是把風(fēng)扇的供電轉(zhuǎn)由軟開關(guān)電路提供。

2）零電壓關(guān)斷的諧振電路對主開關(guān)工作的依賴性不大，當(dāng)諧振電容量與諧振電感的比值小于負載電流與電源電壓之比的平方值的一半時，諧振電流峰值就會較小。

3）如要保證諧振電路電流的半周期完整性，諧振電感量將影響B(tài)uck變換器的最低輸出電壓，諧振電感量越大，輸出能設(shè)置的最低電壓越高。

4）實驗結(jié)果和理論分析基本相吻合，有效地降低了功率器件的溫升。

本文的軟開關(guān)技術(shù)研究對開展較大功率的直流變換器的研究有一定參考價值。

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Design of Novel Passive Soft Switching Buck Converter

Xia Shouxing1Mao Xiaoqun2
(1.Department of Electronic Engineering,Zhejiang Industry &Trade Vocational College,Wenzhou,Zhejiang 325003；2.College of applied Electronic,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331)

On the main switch current path of Buck converter of large power,a small inductance is connected in order to realize the zero-current switching of the main switch.When the main switch is turned off,the continuous current of the small inductance can be supplied to the cooling fan circuit,which means the electricity energy is transferred to the mechanical energy which is used to cool the power devices in return.At the same time,the speed of the fan is increased in consistent to the power increasing power of the switch.The switching-off of the switch with zero-voltage is realized by LC resonance circuit.The main part of it does not connect with the main circuit path.The inductance of the resonance should be a little larger so as to reduce the peak of current of the resonance.In this paper,the working process of soft switch is analyzed and the selection equation of element parameters is derived.The correctness of circuit design is demonstrated by analysis and experiment.

buck converter;soft switch;cooling fan;LC resonance circuit

夏守行（1969-），男，碩士，副教授，研究方向為電力電子拓撲及其控制。