一种新型无源软开关BUCK变换器的设计

研究与开发　一种新型无源软开关ＢＵＣＫ变换器的设计　夏守行　毛小群２　（１．浙江工贸职业技术学院电子工程系，浙江温州　３２５００３　２．重庆电子工程职业学院应用电子学院，重庆４０１３３１）　

摘要在一个较大功率的Ｂｕｃｋ变换器的主开关电流通路上，串入一个小电感，以实现主开关　的零电流开通。当主开关关断时，小电感的续流电能供给冷却风扇电路，转化为机械能释放，用　于功率器件的降温，并同时实现风扇风速随输出功率增大而变快的目的。而主开关的零电压关断，　则由一ＬＣ谐振电路来实现，该谐振电感的主要部分并不串在主电流　路上，谐振电感量可选得大　

一些，可明显降低谐振电流的峰值。本文分析了软开关的工作过程，推导了元件参数的选择方程，　并通过分析和实验表明了电路设计的正确性。　关键词：Ｂｕｃｋ变换器；软开关；冷却风扇；ＬＣ谐振电路　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｎｏｖｅｌ　Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｓｏｆｔ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｂｕｃｋ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｘ／ａ　Ｓｈｏｕｘｉｎｇｉ　Ｍａｏ　Ｘｉａｏｑｕｎ２　ｆ　１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊ　ｉａｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ＆Ｔｒａｄｅ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｗｅｎｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３２５００３；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０　１　３　３　１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐａｔｈ　ｏｆ　Ｂｕｃｋ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｐｏｗｅｒ．ａ　ｓｍａｌｌｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　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　ｒｅｔｕｍ．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　１Ｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ．　Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉＳ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｃｋ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｏｆｔ　ｓｗｉｔｃｈ；ｃｏｏｌｉｎｇ　ｆａｎ；ＬＣ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

Ｂｕｃｋ变换器具有结构简单、重量轻、效率高等　诸多优点，是一种应用较为广泛的电路。但硬开关　方式的Ｂｕｃｋ变换器，存在开关损耗高、电压电流应　力大等诸多问题，而软开关方式的Ｂｕｃｋ变换器，就　能较好地解决这些问题。根据有无辅助开关管，软　开关技术可以分为有源软开关技术和无源软开关技　术；如按技术发展历程分，常有准谐振电路、零开　关ＰＷＭ电路、零转换ＰＷＭ电路等几种类型Ｌ１　Ｊ。　其中传统的准谐振电路的谐振电压峰值较大，对器　件要求提高，而后两种电路常引入了辅助开关，为　

有源软开关电路，能较好地实现主电路的软开关。　但只有辅助开关也处于软开关工作时，才能实现全　软开关工作　，控制又变得相对复杂，相比而言零　转换ＰＷＭ电路的谐振电路不在主回路上，受主回　路影响较小。而无源软开关电路因无需辅助开关而　有控制简单、可靠性高等优点，目前仍是Ｂｕｃｋ变换　器较好的选择　Ｊ。　具体到主开关器件，零电流开通和零电压关断　是软开关常用的一种方法。其中零电流开通可在主　开关器件通路上串联一个小电感来实现，但通常还　

２０１７年第２期电　技７ｆｃ　ｌ　９７　研究与开发　须一个电容与其构成谐振电路，由于该电感在主电　流上，考虑阻性损耗，其电感量通常不大，则谐振　电流会较大。而本文是把该电感的续流能量供给主　功率器件的冷却风扇，转为机械能释放，零电流开　通无需ＬＣ谐振电路，电路设计将变的较灵活。主　开关关断后，由一个充有电荷的电容放电而换流，　是零电压关断常用的一种方法，该电容的充电也可　用ＬＣ谐振电路，由于采用简单的电感、电容和二　极管串联构成的半周谐振电路，如产生的是零状态　响应，则串联电容可能有接近双倍电源的电压值，　不能直接用于零电压关断。如把该电容分成两个电　容串联，单个电容的电压值就与电源电压基本相等，　可较容易实现零电压的关断，本文对该零电压关断　方法在Ｂｕｃｋ电路中的情况进行了分析以及参数选　择计算。下文将具体分析该新型无源软开关电路。　１新型Ｂｕｃｋ软开关主电路　主电路如图１所示，　为输入直流电源电压，　ｃ　为电源滤波电容。ｓ为主开关，　２为主储能电感，　电感量较大，ＶＤ】为其续流二极管，设　２和ＶＤ】　的电流分别为ｉＬ２和ｉ。　。Ｌ　的电感量较小，通过的　电流为ｉＬ１，三１实现了ｓ的零电流开通，ＶＤ５为　１　的续流二极管，　为共模滤波器，可减小风扇引线　引起的干扰，坼为风扇等效电阻，ｖ　和　分别为　左端和右端的电压。　图１主电路拓扑　ＬＣ谐振电路由Ｃ２、ｃ３、ＶＤ３、Ｌ１和　３构成，　且Ｌ３　１、ｃ２：ｃ３＝ｃ，Ｃ２和Ｃ３的充放电情况是相　同的，ｆｃ为Ｃ３电流，ＶＤ２和ＶＤ４分别为它们的放电　通路。Ｃ４为滤波电容，Ｒ　为负载，　为输出电压，　为便于分析，输出可等效为一个电压源。　２主电路工作波形　图１主电路工作波形如图２所示，ｖｇ为Ｓ的控　９８　Ｉ嚼　技肃２０１７￣Ｊｇ　２　制波形。在ｔ。前，ｓ为关断，若　２电感量足够大，　ＶＤ１仍处于续流状态。从　时刻起，电路共有５个　工作模态，各个模态等效电路如图３所示。　

图２　电路工作波形　（ａ）模态一　（ｂ）模态二　（ｃ）模态三（ｄ）模态四　（ｅ）模态五　图３各模态等效电路　模态一：ｔｏ～ｆ１时段，Ｓ导通，　≈０，ｉＬ２仍线　性减小。ｉＬｌ即为开关Ｓ的电流，ｉＬｌ从零开始线性增　大，ｉＤ１则减小，ｉＬ２从ＶＤ１向　１换流，至ｔ１时结束。　模态二：ｔｌ～ｆ２时段，ｓ仍导通，由于Ｌ３　１，　ｖｂ数值较接近于　，ｉＬ２也近似线性增大。ＬＣ谐振　电路谐振，ｉＬｌ由两部分组成，有ｆＬ１＝ｆｃ＋ｆＬ２，此时段　ｉｃ即为谐振电流。至ｔ２时因ＶＤ３的反向偏置而谐振　半周后结束，　和Ｃ３充电后，其端电压与　基本　相等。　

．　．吼　．　．　旬　模态三：ｔ２～　时段，ｓ仍导通，　≈　。此时　段ｉＬ２线性增大。　模态四：ｔ３￣ｔ４时段，ｓ关断，　逐渐下降，ｉＬ２　减小。￡１的续流能量通过ＶＤ５向Ｃ５充电，由风扇转　化为机械能释放。另外，ｓ关断后，ＶＤ２和ＶＤ４导　通，ｉＬ２转由ｃ２和Ｃ３上的电荷提供，实现了ｓ的零　电压关断。至　时，ｃ２和Ｃ３上的电荷放电完毕，ｆＬ２　向ＶＤ１换流。　模态五：“～ｆ５时段，ｓ仍关断，　≈０。ＶＤ１　导通，为　２续流，ｆＬ２线性减小，至ｔ５时结束，下一　周重新开始。　图２和各模态的分析均基于　工作于电流连续　ＣＣＭ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ）模式，在体积允许　的条件下，三：电感量选得大一些更为有利，在较大　功率输出时，可保证　２工作于ＣＣＭ模式，且ｉＬ２　波动也不会过大。如三：电感量选得较小，虽可减小　：的体积，但在较大功率输出时，ｉ　：波动范围如仍　过大，甚至　２将工作于电流断流ＤＣＭ（ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ）模式，则过大的ｉＬ２变化分量，使得　２发热量变多，且ｃ４滤波不易。由图２知，ｉＬ２的峰　谷值分别为　３和　１，则ｉＬ２波动量为，ｌ３　１，在最大　功率输出时，在工程上一般可取　，ｔ３一‘】≤０．３　（１）　三　电感量计算，可再参考后文的式（４）和式（５），　下文的分析均工作于ＣＣＭ模式。　３谐振元件设计　研究与开发　采用了软开关的变换器，发热量较多的器件是　Ｓ和ＶＤ１，其主要为通态损耗。从理论上讲，可由ｓ　和ＶＤ１的电流规律和器件特性算出热损耗，进而确　定散热器和辟。不过ＰＦ的选择用实验的方法也较方　便，即让Ｂｕｃｋ变换器以最大功率输出，冷却风扇电　源暂时外接，选定合适的　风扇后，可由式（２）　得出Ｌ１的值。　如模态一和模态四的持续时间相对于ｓ的导通　时间很短，且　２工作于ＣＣＭ模式下，硬开关Ｂｕｃｋ　变换器的输出电压式子Ｖｏ　仍然适用，　为ｖ　的占空比，则Ｌ２的峰谷值电流分别为式（４）和式　（５）所示　酗，即　

＋　＋　㈩　１：厶一．Ｖｃ（１－８）　（５）　“　２ＬｚＪ　由式（２）和式（４）可解得　１的最小值　１　ｍｊ　，为　

ｎ　面　但该值还应校验模态一的时间，工程设计中，　零电流开通时间可选　ｔｌ—ｔｏ＝０．Ｏ１６Ｔ　ｆ７）　

式中，　为开关ｓ的开关周期。在模态一时段内，ｉ　线性增大，至ｔ１时ｆＬ　＝，ｔ　，有　

，【１＝等（ｔｌ—ｔｏ）　（８）　

３一　在Ｌ１Ｓ　ｔ　时刻，　ｉＬｌ＝ｉＬ２＝　，Ｌ。储存的　为　在　即将关断的　时刻

，　，　储存的　

磁能只能通过Ｒ　转化而释放，则　

ＰＦ＝０．５　厶厂　（２）　式中，厂为开关Ｓ的工作频率，尸Ｆ为风扇功率。实　际软开关时间均很短，ｉＬ２的增大和减小基本上仍为　线性，通过　２的电量等于负载的电量，有　／Ｌ＝０．５（６１＋／，３）　（３）　式中，　为　Ｌ的电流。当变换器输出电压一定时，　由式（３）可知，　会随输出功率的增大而增大，开　关Ｓ和ＶＤ　的发热必增多，式（２）表明风扇功率　也同时跟着增大，实现了风扇风速随输出功率而自　动调节的功能，节约了风扇的能量损耗，更延长了　风扇的寿命。　由式（５）、式（７）和式（８）得　１最大值　１　：　：　（９）　ｍ．ｘ一—ＩＬ－Ｖｃ（１－６—）６／（２Ｌ２ｆ）　计算后，如　反而大于三１　，说明需要的风　扇功率较大，但　电感量过大时会限制Ｓ的开关频　率，还会增大三　的体积和损耗，这时须把一部分风　扇功率另接电源供电，或者适当减小三２的电感量，　但应注意　２的电流波动不能过大。相反，如Ｌ１ｍｉｎ＜