软开关BUCK电路研究

2023-02-14

降压式 (BUCK) 变换器是较常用的拓扑之一, 它的输出电压等于或小于输入电压, 并且是一种单管非隔离直流变换器。开关管、二极管、输出滤波电容和输出滤波电感构成了它的主电路[1]。BUCK变换器实现零电压开通的方法很多, 但目前使用较为广泛的为ZVT-PWM技术[2]。

1 典型的ZVT-PWMBUCK变换器分析

软开关BUCK变换器有多种形式, 目前使用较为广泛的一种ZVT-PWMBUCK变换器原理图如图l所示。

这种较为典型的ZVT-PWMBUCK变换器的特点是结构简单, 利用谐振电感Lr和主开关并联电容Cr, 谐振使主开关两端电压在主开关开通前下降到零, 同时由于谐振电流流过主开关的体内反向二极管, 所以主开关是零电压零电流开通。其优点是主开关和辅助开关电压电流应力小, 主开关零电压开通容易实现;而其主要缺点, 是辅助管工作在硬开关的状态, 关断损耗较大, 甚至可能比不加辅助电路时主开关管的关断损耗还要大。

2 改进的ZVT-PWMBUCK变换器

改进后的拓扑如图2所示。与典型ZVT-PWMBUCK电路相比, 改进后的电路结构增加了电容Cs和二极管VD1、VD2, 其目的是实现辅助开关的近似零电压关断, 从而降低辅助开关关断时的损耗 (见图2) 。

3 计算机仿真

为了验证改进的ZVT-PWM变换器能够改善变换器的效率, 及Cr的大小将影响变换器工作效率的大小, 本文对改进的ZVT-PWMBUCK变换器进行了计算机模拟仿真。

我们选用的模拟参数为:开关频率40kHZ, 直流输入电压40V, 输出电压16V (占空比D=0.4) , 负载电阻10, 输出电压纹波分量<0.5V, 输出电流脉动ipp<0.05A。

从原理分析可以看出, 主开关管VS1和辅助开关管VS2承受的电压都为输入电压Ui, 流过VS1的电流约为2A, 流过VS2的电流约为3A。本文选用低通态电阻值的功率MOSFET作为开关管, VS1、VS2均选择型号为IRF640的功率MOSFET。当VS1截止时二极管VD导通, Lr内磁场能量通过VD传输到负载。由此可知, VD的正向额定电流必须大于负载电流。当VS1完全导通时, 输入电压将全部加在VD两端, 因此, 其耐压值必须大于Ui。同时, 为了尽可能地减小二极管的反向恢复损耗, 本文选用型号为MU R8 50的快恢复二极管。同理, 二极管VDr、VD1、VD2也要求正向额定电流必须大于负载电流, 耐压值必须大于输入电压值, 所以选用型号为MUR1520的快恢复二极管。

改进型ZVT-PWMBUCK电路的仿真波形如图3所示。

从图3可以看出, 主开关VS1开通时电压已降为零, 实现了零电压导通, 而关断时电压的上升率受到限制, 实现了近似零电压关断。另外, 从VS1电流iS1的波形可看出, 除在辅助谐振电路工作外, VS1上没有电流流过, 说明其漏源结电容引起的内部循环电流在改进电路中已不存在。仿真结果与分析的相符, 这说明设计是有效的, 可行的。

4 结语

本文对ZVT-PWMBUCK变换器电路进行了改进, 增加了缓冲电容Cs, 使得在辅助开关关断时两端电压的上升率受到了Cs的限制实现了近似零电压关断, 减小了开关损耗。增加与谐振电感串联的二极管后, 有效地截断了原电路中存在的内部循环电流, 减小了开关管寄生参数对电路工作的不良影响, 能使电路的效率得到进一步提高。

摘要：在计算机、消费产品等多电源供电的系统中, BUCK型DC/DC变换器有着很普遍的应用。本文分析了一典型的ZVT-PWM变换器, 设计了一种新型ZVT-PWMBUCK变换器, 并对新型变换器进行了仿真验证。结果显示, 改进的变换器较典型的变换器有更高的工作效率。

关键词：软开关,降压型变换器