Buck电路的软开关设计和仿真本科毕业论文

本科学生毕业设计（论文）Buck电路的软开关设计和仿真

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摘要

在当今节能型社会中，如何提高电源的效率成为电源技术研究的重点。早期的开关电源均采用硬开关技术，在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，并且开关频率越高，开关损耗就越大。而高频化是减小开关电源体积的重要途径，但是硬开关电源中高频化必然带来电源效率的降低，因此硬开关电源不能适应高频化的发展趋势。这样采用软开关技术的电源应运而生，它是解决高频化和提高电源效率二者矛盾的有效手段。

本文对采用N沟道增强型MOSFET作开关器件的Buck电路进行了软开关的设计和仿真。用到的方案是准谐振充放电模式，使MOSFET漏源极两端的电压能在栅极触发脉冲到来前变为零，使开关管能进行零电压开通。这样就能有效地实现Buck电路的软开关，提高电路的效率。最后利用Saber仿真软件，对设计的软开关控制策略进行了仿真验证，结果与预期相符合。在得到此方案的顺利运行后，考虑到输出支路电感电流存在反向的问题，使得输出电流纹波较大，又运用叠加原理的思路，设计了另一方案，从而有效地避免了输出电流反向的问题。

关键词：降压变换器，软开关，Saber仿真

ABSTRACT

In today's energy-saving type society, how to improve the efficiency of power supply becomes an important aspect of power technology research. In early power supply research times hard switching technology was adopted. The switching-on or switching-off process accompanied with great loss, and the higher switching the frequency is, the greater the switching loss is. The high operating frequency is an important way to reduce the volume, so the hard switching technology doesn't suit it. Then the soft switching technology appears. It is a good method to solve the high operating frequency and improving the efficiency problem.

This article presents a soft switching method of the Buck converter which uses the N channel enhancement type MOSFET as the switch and the simulation. The design is quasi resonant charging and discharging mode which makes the D-S voltage become zero before the gate trigger pulse come, so the MOSFET can operate in a zero voltage turn-on mode. In this way, it can effectively realize the soft switching of Buck converter and improve the efficiency of the circuit. Finally I use the saber software to do the simulation and receive the expected result. After that, considering the reverse slip output inductor current problem which makes the output current ripple large, I present another method which can avoid the problem.

Key words：Buck converter, soft switching, saber simulation

摘要 (1)

ABSTRACT................................................. I II 1 绪论. (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 研究的目的及意义 (1)

1.3 研究的主要内容 (2)

2 Buck电路软开关电路设计及原理分析 (3)

2.1 Buck电路软开关设计方案 (3)

2.2 原理分析 (5)

2.3 参数计算与设置 (9)

3 Saber仿真验证 (10)

3.1 Saber仿真软件的组成 (10)

3.2 Saber仿真软件的特征 (10)

3.3 Saber的分析功能 ............................................................................. 错误！未定义书签。

3.4 Buck电路软开关仿真验证............................................................... 错误！未定义书签。

4 Buck电路软开关的改进设计方案 (12)

4.1 改进型电路原理分析 (24)

4.2 改进型电路参数计算与设置 (24)

5 改进型电路Saber仿真验证 (26)

结论 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

1 绪论

1.1 研究背景

现代电力电子装置的发展趋势是集成化，轻量化和小型化，同时对装置的电磁兼容性和效率有更高要求[1]。一般情况下，滤波电感、变压器和电容在装置中占有很大比例。通过将开关频率提高的途径可以减少滤波器的参数，使变压器小型化，从而有效地降低装置的重量和体积，所以将电路高频化是使得装置小型化、轻量化的最直接途径[2]。但随之而产生的是开关损耗随之增加，电路效率大幅下降，增大电磁干扰，所以简单地提高开关频率是行不通的。而软开关技术的出现将会解决这一问题，它能够解决开关损耗和噪声的问题，大幅提高开关频率。

自从软开关技术出现之后，经历了发展期和完善期，软开关电路也是层出不穷，迄今为止，各式各样的软开关拓扑仍不断涌现[3]。近年来国内外出现了许多软开关的方法，比如准谐振DC/DC变换器，多谐振DC/DC变换器，ZCS/ZVS PWM DC/DC变换器，ZCT/ZVT PWM DC/DC变换器等，这些技术都能在不降低效率的情况下提高变换器的工作频率。这些软开关电路，一般是在常规电路上增加谐振回路，利用谐振，使开关器件两端的电压或流过的电流呈准正弦波形，这样可以为开关管的零电压导通或零电流关断创造条件，从而将软开关实现，减小开关管的损耗与噪音。

1.2 研究的目的及意义

硬开关技术应用于早期的开关电路中。较大的损耗会出现在开通或关断过程中。硬开关技术有以下几个主要问题[3]：①开关损耗问题：在开关管开通关断过程出现电流和电压重叠，造成开关损耗；②感性关断问题：严重的电压尖峰会出现在电路中的寄生电感在高频工作时；③容性开通问题：严重的浪涌电流会出现在电路中的寄生电容在高频工作时；④二极管的反向恢复问题；二极管存在反向恢复期，立即开通与其串联的开关管，则易造成瞬时短路。

所以，在当今节能型社会中，如何提高电源的效率成为电源技术研究的重点。要使得芯片更加集成化，就必须使得其更加高频化，而如果高频化的过程中，开关损耗以倍数同时增大的话，就会让其效率显得非常不合需求。开关器件在传统的设计中一般需要较大容量并增加复杂的吸收电路[4]，加之硬开关电源中高频化必然带来电源效率的降低，因此硬开关电源不能适应高频化的发展趋势。当前电源产品追求的目标是轻小化，于是软开关技术就应运而生。

而本课题通过合理的设计，应用软开关技术，能够有效减小开关损耗问题，

从而提高开关频率。在理论上的成功实现后，经过进一步的加工，便能得到在实际生产中的应用，为国家的产业节能，为社会做出应有的贡献。

1.3 研究的主要内容

Buck电路又叫降压斩波器，降压变换器输入电压U in总是大于输出电压平均值U o。Buck电路有两种工作模式：连续导电模式：稳态工作时，每个周期内i L 一直大于0；断续导电模式：稳态工作时，每个周期内i L有一段时间为0。通常Buck电路工作于哪种模式取决于开关频率f、滤波电感的值L。开关频率高，可以用更小的电感来滤除高次谐波，因此面积可以做的很小。比如手机的Buck电路，开关频率都上M。

本文实现了Buck电路的一种软开关，利用电感电流反向的这一技巧，实现了Buck电路的软开关，通过一个48V输入，24V输出，开关周期为5us的电路进行了仿真，在整理数据，分析数据，统计总结后，验证了电路的正确性。在考虑到电感电流反向造成输出纹波较大的情况后，运用叠加原理，设计另一电路，达到预期效果，成功避免了电感电流反向对输出造成的不利影响。而实现软开关的方法有很多种，这只是其中比较基础的一种，在以后的工作中也许会遇到更加复杂的软开关形式，通过本设计可以铺平道路。

2 Buck电路软开关电路设计及原理分析

2.1 Buck电路软开关设计方案

本课题首先设计的Buck电路软开关方案如图2.1所示。

图2.1Buck电路软开关电路图

Buck电路又叫降压斩波电路，降压式变换电路。是一种DC/DC变流电路，可以根据用户的需求，输出对应的电压，提供负载所需。主要能运用于电车、地铁、电动汽车、火车、直流电机调速系统、照明等领域。但传统的硬开关Buck电路，存在着开关损耗大，开关噪声大，工作效率低的问题。这将直接影响到其集成化，轻型化的要求。为了方便对此问题的了解，首先给出硬开关Buck电路仿真电路图。

图2.2硬开关Buck电路仿真电路图

图2.2中所示为Buck电路的硬开关仿真电路图，即强制切断功率流的工作模式。图中元件的参数为：输入电压V=12V，开关周期T=20us（即开关频率f=50kHz），占空比D=0.42（因为想要输出的电压为5V），电感L=1.6mH，电感值较大，电路能工作在CCM（电感电流连续的模式下），滤波电容C=470uF，输出负载R=0.83Ω。如果电路能工作在理想状态下（即完全无开关损耗的状态下），输出电压U o应该为12×0.42=5.04V，负载电流应该在5.04/0.83=6.07A左右，而实际仿真分析得到的输出波形如下：

图2.3硬开关Buck电路仿真波形图

由图2.3可以清楚地看出，稳态时，输出电压只为4V，输出电流I o=4.5A左右，均跟理论值存在较大差距，究其原因，可以看一下开关管IGBT的工作情况，如下两图所示。

图2.4 经过开关管控制后的输入电压图

图2.5经过开关管控制后的输入电压详图

由图2.4和图2.5可以清楚地看出，经过IGBT控制后的输入电压产生了小于零的情况，这在正常情况下是不应该出现的，从而导致电压峰值小于12V，可以说，由于IGBT的开通压降引起的开关损耗引起了输入达不到要求，从而导致输出电压无法满足需求。显而易见，这就是硬开关电路所存在的问题。使得电路的工作效率仅为4×4.5/(5.04×6.07)×100%=58.8%。

从上述的实验仿真分析不难看出，开关管IGBT的损耗已经严重影响到电路的工作的正常工作效率，不仅造成电路的工作效率低，存在开关噪声等一系列问题，更为重要的是，开关损耗使得能耗更加增大，增加了更多的安全隐患，在开关上消耗的能量积聚到一定的程度，发热累积到一定的程度，将会产生难以预计的后果，甚至可能会威胁到人身财产安全。综上所述，软开关技术势在必行，于是设计了如图2.1所示的Buck软开关电路，下面就对Buck软开关电路的原理进行详细分析。

2.2 原理分析

鉴于此，如图2.1所示，设计了Buck电路的软开关电路图，主开关管VS1、辅助管VS2，这个两个开关管都是N沟道增强型的MOSFET，工作特点时，只有当V gs大于阈值电压才能导通，导通后电流方向为从D极到S极、电感L和电容C o 共同组成零电压开通的Buck变换器，R o为负载电阻，一般不属于Buck电路的内部结构。此电路与一般的Buck电路不同，一般的Buck电路中除了有一个开关管

外，还有一个二极管，而此电路中原本那个位置的二极管变成了一个N沟道增强型MOSFET开关管，为什么要这样做呢？这是因为用MOSFET来替代二极管，能使得电路获得比较高的效率，同时两个开关管互为补充。VS1和VS2两端分别反并联二极管D1，D2，为电感电流的正向及反向流通提供回路，两个开关管上并联的

是滤波电容，取值电容C1，C2用来与电感L组成准谐振回路进行充放电，电容C

较大即可，只起到滤波电容的作用。VS1和VS2分别由触发脉冲u g1和u g2互补驱动，u g1，u g2分别为VS1，VS2的栅源极电压，并且u g1和u g2之间有一定的死区防止共态导通，同时VS1和VS2两个开关管的软开关也必须在该死区内完成。这是一种最简易的Buck电路软开关电路，与硬开关的Buck电路相比，此电路与之的区别在于，在两个开关管漏源极两端并联有二极管和电容器，硬开关的Buck电路最大的问题在于开通时，开关管上升的电流和下降的电压出现重叠；关断时，上升的电压和下降的电流出现重叠。开关损耗正是来源于电压、电流波形的交叠，并且该损耗随开关频率的提高而以倍数增加。采用此种设计的电路之后，通过谐振充放电，可以使得开关管在每一个触发脉冲到来之前电压放电到零，具体工作情况的分析如下。

图2.6主要工作波形

开关电路按周期重复的工作，分析起点的选择很重要，选择合适的起点，可以简化分析过程[5]。在分析此零电压导通准谐振电路时，选择开关管VS1开通时刻为分析的起点最为合适[6]，下面结合图2.6逐段分析电路的工作过程。

一个工作周期分为6个阶段，其工作过程如下：

（1）第1阶段[t0-t1] VS1导通，此时电路由输入电压V in，开关管VS1，电感L，滤波电容C o和负载R o组成，电感上在输入电压到来后，进入充电状态，VS1两端电压为零，VS2两端电压为最大，电感电流i L线性增加，由负值变为正值，为什么是从负值变成正值，看过后面的分析你就会明白，在t1时刻，VS1关断，电感电流到达一个最大值，该阶段结束，由此在电感上就储蓄有一定的能量，表现在

电感电流较大上。

（2）第2阶段[t

1-t

] VS1关断后，此时电路由输入电压V in，结电容C1，

结电容C2，电感L，滤波电容C o，负载R o组成。电感电流i L为正且为最大，VS2的结电容C2通过电感L放电，这正好符合了电流本来流动的方向，因此电感电流i L会线性下降，由于是VS2的结电容C2放电，电感电流减小，同时由于电感电流的存在，VS1的结电容C1被充电，结电容C1两端的电压线性上升，VS2的漏源电压近似线性下降，直到VS2的漏源电压下降到零，该阶段结束。在这一过程中，L 和C1，C2形成谐振回路，C2放电，C1充电，为VS2的零电压开通提供条件，这时必须要满足的条件的充放电的时间一定要合理，即一定要满足在死区时间内完成C2两端电压下降到零的要求，否则无法实现VS2的软开关。

（3）第3阶段[t

2-t

] 此时电路由电感L，滤波电容C o，负载R o，VS2的反

并二极管D2构成，D2为VS2的反并联二极管。当VS2漏源电压下降至零后，自然而然VS2反并二极管D2导通，电流换流到D2上，电容C2被短路，将VS2漏源电压钳位在零电压状态，为VS2的零电压导通创造了条件，在这里要实现软开关，必须满足的条件是能在短时间内，即在死区时间内让VS2的两端电压到零，如果在触发脉冲到来的时候VS2两端的电压还不能到零的话，就不能实现VS2的软开关。

（4）第4阶段[t

3-t

] 此时电路由电感L，滤波电容C o，负载R o，开关管

VS2组成。当VS2的门极变为高电平即触发脉冲到来时，VS2能够实现零电压开通，在本设计中，均是实现零电压开通，因为一般的软开关分为两种，零电压开通型和零电流关断型，要同时满足这两种类型的电路还有待进一步地研究发现。i L流过VS2，此时输入电压端与工作电路隔离开，已经不再起任何作用了，电感电流i L继续线性减小，直到变为负值，到这里就必须要解释一下为什么要使得电感电流到达负值，而为什么电感电流又能到达负值，因为在一般的正常情况下，Buck电路只能工作在CCM（电感电流连续，每个周期内不到零点）和DCM（电感电流断续）的两种模式下，为什么在这个电路中会出现电感电流为负值的情况，如果注意到电路中的两个MOSFET两端反并联的电容和二极管就不难发现答案，它们能提供反向电感电流的正向及反向通路，之所以需要电感电流反向，是因为如果不反向，就不能形成VS1两端并联电容的放电回路，没有放电回路就不能实现VS1两端电压到零，就不能实现软开关，这就是原因所在，之后VS2关断，该阶段结束。

（5）第5阶段[t

4-t

] 此时电路由输入电压V in，结电容C1，结电容C2，电

感L，滤波电容C o，负载R o组成，此时，电感电流i L方向为负，如前所述，正好可以为VS1的结电容C1提供放电回路，于是VS1的结电容C

通过L放电，同时电

感电流对VS 2的结电容C 2充电，同VS 2的结电容C 2的放电过程相类似，VS 1的两端电压可近似为线性下降。该阶段结束于VS 1的电压下降到零，这一过程为VS 1的零电压导通提供了条件。

（6）第6阶段[t 5-t 6] 由于 VS 1两端电压下降到零，导致VS 1的反并二极管D 1开通，将VS 1的两端电压固定在零，为VS 1的零电压导通创造了条件，两个开关的软开关过程都必须是在死区时间内完成，并联电容起到充放电的作用，反并二极管起到将电压钳位在零的作用。

接着VS 1在栅极触发脉冲到来时，VS 1零电压条件下导通，实现软开关，进入下一周期，周而复始。那么到底要满足怎样的条件才能真正地实现软开关？下面进入参数分析，公式推导阶段。

综上所述，I min 对结电容C 1，C 2充放电情况决定VS 1的软开关条件，而同样，

I max 对C 1，C 2充放电情况决定了VS 2的软开关条件。L ，C 1，C 2的谐振充放电情况将直接影响软开关的实现条件，而它们的充放电情况又由I min 和I max 决定，所以说I min 与I max 的大小将直接影响软开关的实现难易程度。

进入计算分析阶段，其中：

I max =2ΔI +I o = L

DT V V out in 2)(-+I o 式(2.1) I min =2ΔI -I o = L

DT V V out in 2)(--I o 式(2.2） ΔI=

L DT V V out in )(- 式(2.3) 要实现VS 2的软开关，根据能量大小关系，必须满足让C 2上的电压谐振到零，即为：

21（C 1+C 2）V in 2≤21L|L

DT V V out in 2)(-+I o | 2 式（2.4）为了更加便于计算，考虑到死区时间很小，再近似为死区时间内i L 保持不变，根据电量大小关系可以将VS 2的软开关条件简化为：

(C 1+C 2)V in ≤|L

DT V V out in 2)(-+I o | t dead2 式（2.5） VS 2开通前的死区时间为t dead2

同理可推导出VS 1软开关条件为：

（C 1+C 2）V in ≤|L

DT V V out in 2)(--I o |t dead1 式（2.6） VS 1开通前的死区时间为t dead1

在得到（2.5）（2.6）这两个重要公式后，如何进行参数计算是个难点，因为里面的未知量太多，经过各种搜集查证，如何实现这个公式，首先应该设置一些参数，再根据已经设置好的参数，通过限制约束条件来计算另外的一些参数，从而才能满足（2.5）（2.6）这两个重要的公式，从而实现开关管VS 1和VS 2的软开关。

2.3 参数计算与设置

设输入电压V in =48V ，f=200kHz （T=5us ），t dead1=t dead2=0.5us ，R=3.8Ω，D=0.4，如何计算所有的参数是个难点，得一步一步来。

首先要明确，在t dead1=t dead2的情况下，只要所选取的参数能满足(2.6)式就一定能满足(2.5)式，所以虽然看着是两个条件，其实只需要针对(2.6)即可。

其次，要明确，此电路要实现软开关，需要满足的一个重要条件是电路的电感值L 不能过大，即不能让电路工作在电流连续的情况下，而让电路工作在DCM （电感电流断续）状态下，而需要满足的条件应为：

L 2<1-D 式（2.7）此时，D=0.4，R=3.8Ω，T=5us ，经计算可得L<5.7uH ，不妨取L=2uH 。再将设定的条件代入（2.6）式进行计算，接着为了方便计算近似处理C 1=C 2=C

原式可变为：

2C×48≤|6--610

221054.0)2.1948(?????--3.819.2|×0.5×10-6 式（2.8）计算得C ≤4.8×104pF

因此可取C 1=C 2=1000pF

V in =48V ，L=2uH ，C 1=1000pF ，C 2=1000pF ，D=0.4，T=5us ，t dead1=0.5us ，t dead2=0.5us ，R=3.8Ω，C=470uF 其中，C 是滤波电容，取值较大，是参考的有关资料。

至此，所有参数计算完毕，可进行仿真验证。

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 Saber仿真验证

3 Saber仿真验证

3.1 Saber仿真软件的组成

（1）SaberSketch：SaberSketch是图形化输入软件工具，拥有这个部分设计系统变得前所未有的直观、方便、容易。若库中没有符号元件，还可以自己增加库元件。

（2）SaberDesigner：SaberDesigner是一个集成分析环境，它由Saber仿真器组成，SaberDesigner集成环境的核心的核心正是Saber仿真器；SaberGuide，用于指导仿真进程，能够进行报错分析等；SaberScope，能够分析显示波形，用于分析仿真结果的波形。

（3）SaberBook：SaberBook是文档浏览软件包。

3.2 Saber仿真软件的特征

1)混合系统仿真

混合系统进行仿真即是说Saber能够对如由电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、控制等不同类型系统构成的系统进行仿真，这是Saber的最大亮点。

2)MAST硬件语言

MAST语言是Analogy公司开发的对物理部件建立仿真模型的硬件描述语言。用MAST语言可以对电子(数字或模型)、机械、控制等不同类型的部件建立仿真模型，实现混合仿真。

3)开放的部件库

Saber的部件库是开放式的，用户可以借助于MAST语言建立自己的部件模型，并用SaberSketch为其设计图形符号，以便能用图形输入方式设计系统[7]。用户也可以用已有的部件组合出一个符合自己要求的子系统，并为此子系统建立一个图形符号，作为部件来用。

4)模块化、分级式系统设计

Saber允许系统按功能模块分级设计，即顶层系统可以包含若干个按功能划分的子系统，各子系统又可以包含下一层的子系统，以此类推。这种结构为大系统设计的分工合作带来了方便[8]。

在硬开关的Buck电路中是不可能出现这种情况的，硬开关的Buck电路中，只存在CCM（电感电流连续）和DCM（电感电流断续）这两种工作模式。为什么出现现在这种电感电流反向的工作情况？如前所述，正是因为有了VS1，VS2两端的反并二极管D1，D2的存在，电感电流反向是实现VS1管零电压导通的必要条