劉傳洋，孫 佐，劉景景

池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 安徽池州,247000

伴隨著電子器件和電子技術(shù)發(fā)展，DC/DC變換器正逐漸向高效率、小型化、高功率因數(shù)、低EMI方向發(fā)展，且廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、生物醫(yī)療、電子設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域[1]。Buck 變換器作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的DC/DC變換器，受到電子產(chǎn)品的青睞[2]。然而B(niǎo)uck 變換器開(kāi)關(guān)器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)于開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)，硬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)頻率越高，在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電壓與電流的重疊區(qū)域變大，使得開(kāi)關(guān)損耗增大，不僅不利于Buck 變換器效率的提高，而且減小了開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損毀開(kāi)關(guān)器件[3]。

功率管開(kāi)關(guān)損耗的大小取決于開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，電壓與電流重疊區(qū)域的大小，Buck 變換器通過(guò)增加緩沖電路提高工作效率。緩沖電路分為有源和無(wú)源緩沖電路，一般不采用有源緩沖電路，因?yàn)橛性淳彌_電路中輔助開(kāi)關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)通或關(guān)斷[4-6]。無(wú)源緩沖電路根據(jù)開(kāi)關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力大小分為最小電壓應(yīng)力和非最小電壓應(yīng)力緩沖電路。最小電壓應(yīng)力緩沖電路中用于驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)器件的PWM占空比范圍較窄，因?yàn)榫彌_電路中的緩沖電感與電容比值受限制；非最小電壓應(yīng)力緩沖電路通過(guò)增大開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力來(lái)擴(kuò)大PWM占空比范圍，但是開(kāi)關(guān)器件承受電壓應(yīng)力過(guò)大容易造成損壞[7-8]。

本文提出一種新型的用于BUCK 變換器的無(wú)源低損緩沖電路。緩沖電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，不受諧振元件參數(shù)限制，拓寬了PWM占空比范圍，開(kāi)關(guān)器件在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，提高了BUCK 變換器工作效率。

1 Buck變換器緩沖電路拓?fù)?/h2>

Buck 變換器主電路如圖1所示，Ui為直流輸入電壓，VT為功率管，L為濾波電感，C為濾波電容，R為等效阻抗，VD為續(xù)流二極管，電容C1、電感Lr、電容Cr、二極管D1、電阻R1、電阻R2構(gòu)成緩沖電路。濾波電感L為主儲(chǔ)能電感，電感量較大；電感Lr的電感量較小，實(shí)現(xiàn)功率管VT的零電流(ZCS)開(kāi)通。二極管D1與電阻R1串聯(lián)構(gòu)成電感Lr的放電回路。功率管VT為IGBT，電容C1與IGBT的發(fā)射極相連，目的是避免IGBT集電極-發(fā)射極電壓突變，實(shí)現(xiàn)IGBT的零電壓(ZVS)關(guān)斷。

圖1 Buck變換器主電路拓?fù)?/p>

在功率管VT開(kāi)通過(guò)程中，電感Lr一方面使IGBT的發(fā)射極電流從0開(kāi)始增大，另一方面避免續(xù)流二極管VD反向恢復(fù)電流的上升率di/dt；在功率管VT關(guān)斷過(guò)程中，直流輸入電壓Ui對(duì)電容C1進(jìn)行充電，降低IGBT集射極之間的du/dt。引入緩沖電路可以降低功率管VT的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，緩沖電路為無(wú)源低損電路，只有很小一部分能量消耗在電阻R1和電阻R2上。

2 Buck變換器工作原理分析

Buck 變換器主要工作波形如圖2所示，結(jié)合圖3Buck 變換器工作模態(tài)圖分析變換器工作原理。假設(shè)功率管VT、續(xù)流二極管VD、二極管D1均為理想器件，其導(dǎo)通電阻為零，關(guān)斷電阻無(wú)窮大；電容C1、Cr和電感Lr均為無(wú)損元件；輸出濾波電感L足夠大，輸出電流近似恒定[9]。

(1)模態(tài)1[t0-t1]:功率管VT開(kāi)通階段

t0時(shí)刻對(duì)功率管VT的柵極施加觸發(fā)信號(hào)，功率管VT的發(fā)射極電流從0開(kāi)始逐漸增大，功率管VT的發(fā)射極電壓逐漸升高，實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)通。由于電感Lr的存在，功率管VT發(fā)射極電流從0開(kāi)始變化，續(xù)流二極管VD電流逐漸減??；由于電容C1的存在，功率管VT集電極-發(fā)射極電壓不能突變，輸入電源Ui經(jīng)過(guò)功率管VT對(duì)電容C1充電；當(dāng)t1時(shí)刻續(xù)流二極管VD電流減小到0，結(jié)束模態(tài)1。

圖2 Buck變換器主要工作波形

圖3 Buck 變換器工作模態(tài)圖

(2)模態(tài)2[t1-t2]：電容C1充電階段

t1時(shí)刻續(xù)流二極管VD關(guān)斷，直流輸入電壓Ui繼續(xù)通過(guò)功率管VT對(duì)電容C1充電；電感Lr與電容Cr發(fā)生諧振，電感Lr電流反向增大并對(duì)電容Cr進(jìn)行充電，避免了續(xù)流二極管VD反向恢復(fù)產(chǎn)生的電流上升率di/dt；當(dāng)t2時(shí)刻電容C1電壓增大到直流輸入電壓Ui，結(jié)束模態(tài)2。

(3)模態(tài)3[t2-t3]：電感Lr復(fù)位階段

t2時(shí)刻電容C1充電結(jié)束，電容C1兩端電壓為直流輸入電壓，電感Lr與電容Cr繼續(xù)發(fā)生諧振，繼續(xù)對(duì)電容Cr充電，隨著電容Cr電壓升高，二極管D1導(dǎo)通為電感Lr放電提供續(xù)流回路，直到t3時(shí)刻電感Lr電流減小到0，結(jié)束模態(tài)3。

(4)模態(tài)4[t3-t4]：PWM導(dǎo)通階段

t3時(shí)刻電感Lr電流減小到0，續(xù)流二極管VD、二極管D1、電容Cr和電感Lr均停止工作，功率管VT進(jìn)入正常PWM導(dǎo)通階段，直流輸入電壓Ui通過(guò)功率管VT、濾波電感L為負(fù)載供電，直到t4時(shí)刻功率管VT柵極沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，功率管VT開(kāi)始關(guān)斷，結(jié)束模態(tài)4。

(5)模態(tài)5[t4-t5]：功率管VT關(guān)斷階段

t4時(shí)刻功率管VT發(fā)射極電流開(kāi)始減小，電容Cr通過(guò)二極管D1、電阻R1、電阻R2放電，電容C1經(jīng)濾波電感L、負(fù)載放電，功率管VT集電極-發(fā)射極電壓緩慢上升，實(shí)現(xiàn)功率管VT的零電壓關(guān)斷(ZVS)，直到t5時(shí)刻電容C1、Cr放電到0，結(jié)束模態(tài)5。

(6)模態(tài)6[t5-t6]：電感Lr充電階段

t5時(shí)刻電容C1、Cr放電電壓為0，續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，續(xù)流二極管VD通過(guò)電感Lr和二極管D1、電阻R1為負(fù)載續(xù)流，電感Lr電流從0開(kāi)始逐漸增大，流過(guò)二極管D1、電阻R1上的電流逐漸減小，直到t6時(shí)刻二極管D1關(guān)斷，流過(guò)電感Lr的電流為負(fù)載電流，結(jié)束模態(tài)6。

(7)模態(tài)7[t6-t7]：PWM 關(guān)斷階段

t6時(shí)刻續(xù)流二極管VD通過(guò)電感Lr為負(fù)載續(xù)流，且電容C1電壓為0，為功率管VT下個(gè)周期實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)通創(chuàng)造條件。

3 Buck變換器緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于Buck 變換器加入緩沖電路后，在直流輸入電壓Uin=40-60V；開(kāi)關(guān)頻率f=50kHz；負(fù)載等效電阻R=6Ω；輸出電流Io=4A，能夠?qū)崿F(xiàn)功率管VT的零電流開(kāi)通(ZCS)和零電壓關(guān)斷(ZVS)，降低功率管VT的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)只有很少一部分能量消耗在電阻R1和電阻R2上。

3.1 電容C1選擇

功率管VT采用IGBT，IGBT的關(guān)斷損耗包括電流下降與電壓上升重疊區(qū)功率損耗和電流拖尾功率損耗，且電流拖尾功率損耗約占總的關(guān)斷損耗的一半[10]。為了降低IGBT的電壓過(guò)沖，通過(guò)在IGBT的發(fā)射極與輸入電源負(fù)極之間并聯(lián)電容C1實(shí)現(xiàn)IGBT的ZVS關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗。IGBT的關(guān)斷損耗隨電容C1的取值增大而減小，同時(shí)電容C1取值越大，IGBT開(kāi)通時(shí)的電流尖峰越大。電容C1取值通過(guò)下式計(jì)算[11]：

(1)

其中，tfi為IGBT的電流下降時(shí)間，取值為150 ns。電容C1選擇6.8 nF/250V的金屬化聚丙烯膜電容。

3.2 電容Cr選擇

電容Cr用于吸收續(xù)流二極管VD關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓過(guò)沖，增大電容Cr可以使電壓過(guò)沖明顯減小，但是電容增大不僅會(huì)延長(zhǎng)緩沖電路工作時(shí)間，而且使電阻R2的功率損耗增大。從最小電壓應(yīng)力的角度來(lái)選取電容Cr為3倍的IGBT輸出寄生等效電容Coes[12]。確定IGBT寄生等效電容Coes=3.247 nF，選擇Cr=3Coes≈10 nF耐壓250 V的金屬化聚丙烯膜電容。

3.3 電感Lr選擇

電感Lr利用電感電流不能突變特性，在功率管IGBT開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)使通過(guò)IGBT的電流從0開(kāi)始增大，IGBT的發(fā)射極電流與電感Lr電流之和等于負(fù)載電流。電感Lr電流減小到0后反向增大，避免了續(xù)流二極管VD關(guān)斷時(shí)造成的反向恢復(fù)。IGBT導(dǎo)通電流上升的斜率di/dt大小通過(guò)電感Lr進(jìn)行調(diào)節(jié)。電感Lr通過(guò)以下公式進(jìn)行選擇：

(2)

trr為續(xù)流二極管VD電流反向恢復(fù)時(shí)間，Qrr為續(xù)流二極管VD反向恢復(fù)電荷，電感Lr取0.16 uH。

3.4 電阻R1選擇

電阻R1和二極管D1構(gòu)成緩沖網(wǎng)絡(luò)，在IGBT開(kāi)通時(shí)，為電感Lr提供能量釋放的通道；在IGBT關(guān)斷后，利用電感電流不能突變，電阻R1和二極管D1在電感Lr充電到Io之前續(xù)流。電感Lr電流充電時(shí)間：

(3)

電感Lr電流充電到Io的時(shí)間小于續(xù)流二極管VD導(dǎo)通時(shí)間，滿足以下公式：

TRL<(1-Dmax)T

(4)

Vd為二極管D1通態(tài)壓降。電阻R1選擇0.1 Ω。

4 仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述Buck 變換器緩沖電路拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，在saber 2012軟件平臺(tái)下，建立了Buck 變換器緩沖電路拓?fù)涞姆抡婺Ｐ?，參?shù)設(shè)置如下：輸入電壓為直流50 V，功率管IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz，輸出功率為100 W，負(fù)載輸出電流為4 A，仿真時(shí)間為1 S。

功率管IGBT開(kāi)通瞬間如圖4所示，IGBT開(kāi)通瞬間集電極-發(fā)射極電壓uCE逐漸降低并在電壓0點(diǎn)附近振蕩，同時(shí)發(fā)射極電流iE從0開(kāi)始逐漸增大，集電極-發(fā)射極電壓uCE與發(fā)射極電流iE重疊區(qū)域比較小，從圖4可以看出功率管IGBT實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通(ZCS)。功率管IGBT關(guān)斷瞬間如圖5所示，IGBT關(guān)斷瞬間IGBT發(fā)射極電流iE緩慢降低，IGBT集電極-發(fā)射極電壓uCE緩慢升高，發(fā)射極電流iE與集電極-發(fā)射極電壓uCE重疊區(qū)域也比較小，從圖5可以看出功率管IGBT實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷(ZVS)。

圖4 功率管ZCS開(kāi)通仿真波形

圖5 功率管ZVS關(guān)斷仿真波形

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述緩沖電路及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，制作設(shè)計(jì)了一臺(tái)100 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，Buck 變換器主電路所設(shè)計(jì)的參數(shù)和選用的元器件如表1所示。

圖6、圖7給出了功率管IGBT開(kāi)通和關(guān)斷瞬間的實(shí)驗(yàn)波形。圖6在功率管IGBT開(kāi)通瞬間IGBT發(fā)射極電流iE從0開(kāi)始逐漸增大，電流變化率di/dt得到了延緩，集電極-發(fā)射極電壓uCE放電較快，發(fā)射極電流iE與集電極-發(fā)射極電壓uCE重合區(qū)域較

表1 Buck變換器元件參數(shù)表

小，開(kāi)通損耗降低，實(shí)現(xiàn)了功率管IGBT開(kāi)通軟開(kāi)關(guān)。圖7在功率管IGBT關(guān)斷瞬間IGBT集電極-發(fā)射極電壓uCE上升緩慢，電壓變化率du/dt得到延緩，同時(shí)發(fā)射極電流iE緩慢降低，集電極-發(fā)射極電壓uCE與發(fā)射極電流iE重疊區(qū)域明顯減少，實(shí)現(xiàn)了功率管IGBT關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)。

圖6 IGBT開(kāi)通瞬間iE與uCE波形

圖7 IGBT關(guān)斷瞬間iE與uCE波形

本文提出一種新型的用于Buck 變換器的無(wú)源低損緩沖電路，緩沖電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，避免了最小電壓應(yīng)力電壓緩沖單元的緩沖電感與電容的比值受限制、非最小電壓應(yīng)力緩沖單元存在開(kāi)關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。通過(guò)緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，功率管IGBT在開(kāi)通時(shí)電流變化率di/dt得到延緩，電流和電壓的交疊區(qū)域減小，實(shí)現(xiàn)開(kāi)通軟開(kāi)關(guān)；功率管IGBT在關(guān)斷時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓變化率du/dt得到延緩，發(fā)射極電流緩慢降低，關(guān)斷損耗降低，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)。Buck變換器功率管IGBT的開(kāi)關(guān)損耗得到降低，變換器的工作效率得以提高。