楊玉崗，丁晶晶，趙若冰，許 靜

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

Buck變換器作為一種最基本的DC/DC變換器被廣泛應(yīng)用到燃料電池、電動汽車、通信以及航天等各種領(lǐng)域。隨著科技發(fā)展的日新月異，對變換器體積小、重量輕以及可靠性的需求越來越高。高頻率可以有效減少變換器的體積和重量，但同時也增加了變換器的開關(guān)損耗。 提高變換器的效率，國內(nèi)外學(xué)者提出軟開關(guān)技術(shù)[1]。針對大多數(shù)軟開關(guān)中滿載時效率可以得到有效提高、而輕載效率不高這一問題，本文提出一種改進型的Buck軟開關(guān)，其輔助回路主要由一個與主電感反向耦合的電感，一個小的電感和一個二極管組成。主開關(guān)MOSEFT管在零電流開關(guān)ZCS（zero current switching）下導(dǎo)通，在零電壓開關(guān)ZVS（zero voltage switching）下關(guān)斷，且流過小電感的電流不連續(xù)。本文分析了改進型Buck軟開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，并通過仿真和實驗驗證了該新型Buck軟開關(guān)的可行性。

1 電路的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理

新型Buck軟開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，L1為主電感，電感L1和L2完全耦合。S1和D1為主要的功率開關(guān)，D2為附加的二極管。L1、L2和L3理論上的電壓波形如圖2所示。因為L3非常小，i3的下降速度要比i1下降速度快，因此在S1導(dǎo)通之前i3已經(jīng)減小到0，即實現(xiàn)了S1在ZCS下導(dǎo)通。由于緩沖電容Cr1，可實現(xiàn)S1在ZVS下關(guān)斷。Cp1為S1的寄生電容。

圖1 新型Buck軟開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the novel Buck soft-switch

圖2 各電感理論上的電壓紋波Fig.2 Theoretical voltages ripper of different inductors

圖2中，根據(jù)電感電壓的紋波可將變換器的一個工作周期分為5個工作模態(tài)，圖2中kij表示不同的電感電流在不同的模式下的斜率，i表示電感，j表示不同的工作模態(tài)。其等效電路如圖3所示。

各模態(tài)的分析如下：

模態(tài)Ⅰ[t0-t1]：如圖3（a）所示，在t0時刻之前變換器工作在電流儲能狀態(tài)，i3和is1均為0；在t0時刻，S1觸發(fā)導(dǎo)通。is1由于L3的存在而緩慢增加，此時，Buck變換器進入 ZCS模式，i1和i3逐漸增加，i2減小。由于L3非常小，其電流的上升率遠大于L1的電流上升率。在 t1時刻 i1=i3，i2=0，D2關(guān)斷。根據(jù)KVL和KCL可知

圖3 各工作模態(tài)等效電路Fig.3 Equivalent circuits in different operation modes

則電感L1、L2、L3兩端的電壓分別為

因為L1和L2完全耦合，所以由式（1）和式（2）可得各電感在模態(tài)Ⅰ中的斜率分別為

模態(tài)Ⅱ[t1-t2]：如圖3（b）所示，在t1時刻之后，i1和i3相等且呈線性增長。故在此模式下D2始終反向截止，L2所在支路不工作。在t2時刻S1關(guān)斷。在此模式下該變換器為常規(guī)Buck變換器，C1對負載供電，可得各電感L1、L2、L3在模態(tài)Ⅱ下的斜率為

模態(tài)Ⅲ [t2-t3]：如圖3（c）所示，L3與Cp1、Cr1產(chǎn)生共振，在此期間內(nèi)Cp1充電、Cr1放電，當Cr1減小到0時，D1導(dǎo)通。

模態(tài)Ⅳ [t3-t4]：如圖 3（d）所示，先假設(shè) D2沒有導(dǎo)通，L1和L2的匝數(shù)分別為n1和n2，所以

根據(jù)KVL可知

故可以得到

在L3＜M時D2導(dǎo)通。D1導(dǎo)通，對L1充電，由于L1和L2完全反向耦合，i3減小，則有

將式（2）代入式（9），可得各電感在模態(tài)下的斜率為

模態(tài)Ⅴ [t4-t5]：在t4時刻，D1關(guān)斷，在L3和Cr1產(chǎn)生一個小的共振，此時，i3在0附近上下振蕩，且振幅非常小，故i3在此模式下始終為0。如圖3（e）所示，電流只流過L1和L2，且i1=i2，則各電感在該模態(tài)下的斜率為

2 實驗驗證

2.1 主電路的設(shè)計

為了確保Buck變換器可以工作在軟開關(guān)的條件，必須對其構(gòu)成參數(shù)進行合理設(shè)計，特別是L1、L2、L3的選取。由于L3的電流不連續(xù)才可以實現(xiàn)軟開關(guān)。隨著負載電流的增加，L3的電流保持為0的持續(xù)時間將減少到0，L3將工作在CCM下，即不能實現(xiàn)軟開關(guān)。因此，應(yīng)選取CCM和DCM的臨界狀態(tài)BCM來計算主電路的參數(shù)。假設(shè)該Buck變換器在理論最大負載的情況下工作在BCM下，其理論的電感電流波形如圖4所示。在此設(shè)計中，理論最大負載為實際最大負載的1.1倍。

圖4 BCM下電感電流的理論紋波Fig.4 Theoretical waveforms of inductor currents in BCM

如圖4所示，在BCM下沒有模態(tài)Ⅴ發(fā)生。且因為模態(tài)Ⅲ的持續(xù)時間非常短，在計算電感參數(shù)時均不予考慮，故一個開關(guān)周期被分為3個區(qū)間。根據(jù)各電感電流的大小及斜率可知

式中：電流 I1.L1，I2.L1，I3.L1，I1.L3，I2.L3和 I3.L3通過理論最大平均負載電流和電感電流紋波系數(shù)獲得；T是開關(guān)周期。Δt1、Δt2、Δt3、L1、L2和L3通過式（10）可以求出，且D=（Δt1+Δt2）/T。該Buck變換器的目標參數(shù)如表1所示。

PSpice軟件根據(jù)表1和表2中的參數(shù)進行仿真，在理論負載最大值為18.4 A時，其電感電流的波形如圖5（a）所示，在實際最大負載電流為16.7 A時，其電感電流波形如圖5（b）所示。由圖5可知，i3在很短的時間保持為0，即此時存在模態(tài)Ⅴ，且可實現(xiàn)ZCS開啟。

表1 Buck變換器的目標參數(shù)Tab.1 Target specifications of Buck converter

表2 各電感及持續(xù)時間的計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of inductances and corresponding time durations

圖5 電感電流的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of inductor currents

2.2 實驗結(jié)果

在此模式的測試中樣機的電壓較高一側(cè)的值V2=26 V,電壓較低一側(cè)的值V1=8.1 V，占空比D= 0.4，每通道開關(guān)頻率fs=50 kHz。電感L1=18 μH，L2=L3=3 μH，電容值Cr1=4 700 μF。用霍爾電流傳感器CHB-25NP檢測電流的電壓，圖6為實驗測試系統(tǒng)。

L3和S1在最大輸出功率200 W時的電流波形和開關(guān)波形如圖7所示。圖7（a）示出了在一個開關(guān)周期的波形，其中，L3的電流在S1觸發(fā)前短時內(nèi)一直為0。

圖6 實驗測試系統(tǒng)Fig.6 Test system used in the experiment

S1的導(dǎo)通過程如圖7（b）。在門柵極觸發(fā)信號VGS1被施加之后，is1電流緩慢增加，此時實現(xiàn)ZCS。在圖7（c）中，S1關(guān)斷，當關(guān)斷觸發(fā)信號被施加，is1急劇減小到0，隨之Vs1增加到Vin，此時實現(xiàn)ZVS。

圖8 不同輸出功率下的效率對比曲線Fig.8 Comparison curres of efficiency at different output power

所提出的新型Buck變換器的效率曲線如圖8所示，在輕載時，變換器的轉(zhuǎn)換效率為94.57%，可以看出新型Buck軟開關(guān)變換器有效地提高了變換器的輕載效率，擴寬了高效率的運行區(qū)間，與硬開關(guān)方式相比效率明顯提高。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于耦合電感的新型Buck軟開關(guān)技術(shù)，經(jīng)過詳細的理論分析和主電路設(shè)計方法的討論，建立變換器模型。通過實驗結(jié)果驗證了可以通過開關(guān)S1實現(xiàn)ZCS的開啟和ZVS的關(guān)閉，利用開關(guān)S1的切換來實現(xiàn)所提出新型軟開關(guān)的技術(shù)。通過這種新型Buck軟開關(guān)技術(shù)可以有效減小開關(guān)損耗，提高變換器的效率。

[1]陳剛.軟開關(guān)雙向DC-DC變換器的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2001.

Chen Gang.Soft-switching bidirectional DC-DC converters [D].Hangzhou：Zhejiang University,2001（in Chinese）.

[2]Jabbari M,Farzanehfard H.New resonant step-down/up converters[J].IEEE Trans Power Electron,2010,25（1）：249-256.

[3]Bodur H,Bakan A F.An improved ZCT-PWM DC-DC converter for high-power and frequency applications[J].IEEE Trans Ind Electron,2004,51（3）：89-95.

[4]賈貴璽,張春雁,肖有文,等.新型Buck軟開關(guān)電路的設(shè)計與仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27（2）：33-37.

Jia Guixi,Zhang Chunyan,Xiao Youwen,et al.Design and simulation of a new type of buck soft-switching circuit[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27（2）：33-37（in Chinese）.

[5]陸治國,祝萬平,劉捷豐,等.一種新型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,33（12）：39-46.

Lu Zhiguo,Zhu Wanpin,Liu Jiefeng,et al.A novel interleaved parallel bidirectional DC/DC converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,33（12）：39-46（in Chinese）.

[6]Adib E,Farzanehfard H.Family of zero-current transition PWM converters[J].IEEE Trans Ind Electron,2008,55（8）：3055-3063.

[7]Do H L.Nonisolated bidirectional zero voltage switching DC/DC converter[J].IEEE Trans Power Electron,2011,2563-2569.

[8]馮本成,楊玉崗,韓占嶺.雙向DC/DC變換器中耦合電感的應(yīng)用研究[J].電源學(xué)報,2012,10（3）：52-55.

Feng Bengcheng,Yang Yugang,Han Zhanling.Application of the coupled inductor in bi-directional DC/DC converter[J].Journal of Power Supply,2012,10（3）：52-55（in Chinese）.

[9]Zhang Yingqi,Sen P C.A new soft-switching technique for buck,boost and buck-boost converters[J].IEEE Trans Ind Appl,2003,39（6）：1775-1782.

[10]Tsai C T,Shen C L.Interleaved soft-switching buck converter with coupled inductors[J].IEEE Int Conf Sustain.Energy Technol,2008,10（3）：877-882.