一種新型的ZVS關斷電路的研究

摘要：軟開關技術是開關電源中的一個重要研究領域。根據(jù)磁性元件的電壓極性在不同開關狀態(tài)下也不同的特點，提出了一種新型的ZVS關斷電路。這種關斷電路所附加的元件很少，但可以實現(xiàn)優(yōu)良的軟關斷效果。以CCM Buck電路為例，對該ZVS關斷電路進行了詳細的理論分析。最后的實驗結(jié)果證實了理論分析，表明這種電路的正確性和可行性。

關鍵詞：軟開關；吸收電路；零電壓開關

引言

軟開關（ZVSZCS）技術可以顯著地減小開關損耗，是開關電源的一個重要研究領域。迄今為止，實現(xiàn)軟開關的方案很多，歸納起來可以有以下幾種不同形式：

1）直接利用諧振實現(xiàn)的諧振軟開關，它可以實現(xiàn)良好的軟開關效果，但卻需要采用變頻控制策略，使磁性元件的設計難以優(yōu)化；

2）利用輔助開關實現(xiàn)的有源軟開關技術，可以實現(xiàn)PWM控制策略，并達到很好的軟開關效果，但它需要輔助開關管及其控制驅(qū)動電路，不利于增加開關電源的功率密度，可靠性也有所降低；

3）采用無損吸收電路實現(xiàn)軟開關技術，僅需要附加少量無損元器件（電容、電感和二極管），就可以實現(xiàn)軟開關[1][2][3][4][5][6][7]，且可以采用PWM控制，便于設計磁性元件。

本文提出了一種新型的無源無損ZVS軟開關電路，它利用主電感電壓極性跟隨開關狀態(tài)改變的特點，來恰當?shù)乜刂芞VS關斷電容的充電和放電。該電路具有使用元器件少，無需額外的輔助開關，且軟開關效果好，控制方便等許多優(yōu)點，研究結(jié)果證明該電路是可行的。

1 新型的磁耦合式ZVS關斷電路

如圖1所示，新型的ZVS關斷電路所包含的元器件很少：小電容Cs和二極管Ds，用于實現(xiàn)主開關的ZVS關斷；小電感LR、二極管DR和主電感的耦合電感Lmc，給Cs創(chuàng)造充電的準諧振條件。將圖1中的A～E各個端點連接到電路的恰當位置，就可以為具體電路構(gòu)造ZVS關斷條件。

圖2所示為一個帶新型磁耦合式ZVS關斷電路的Buck拓撲，虛線所包圍部分為附加上去的ZVS關斷電路。

圖1、2

這種新型的關斷電路可推廣到所有帶單開關的基本拓撲中，如圖3所示。

圖3 帶新型ZVS關斷電路的基本拓撲

由于Cuk、Sepic和Zeta拓撲都含有兩個主電感，這兩個主電感的電壓極性都隨著開關狀態(tài)發(fā)生改變，故它們都可以用于構(gòu)造新型的ZVS關斷電路。

2 帶新型ZVS關斷電路的CCM Buck拓撲的工作原理

以CCM Buck電路為例，說明新型ZVS關斷電路的工作原理。為方便電路分析，做如下假設：

1）輸入電壓Vin為恒定值；

2）輸出電容Co足夠大，輸出電壓Vo恒定；

3）所有元器件都是理想的，忽略其寄生參數(shù)；

4）耦合電感可視為勵磁電感Lm和一個理想變壓器組成，勵磁電流Im為大于零的恒定值。

電路共有5個工作模態(tài)，如圖4所示，其工作波形如圖5所示。通路用粗線表示。

圖4 電路各個工作模態(tài)圖

圖5 各個工作模態(tài)的主要波形圖

模態(tài)1〔t0－t1〕 t0時刻，電容Cs放電完畢，Do實現(xiàn)ZVS開通，電路進入Lm放電狀態(tài)，其電流為Im。

模態(tài)2〔t1－t2〕 t1時刻，S開通。輸入電流iin馬上躍升到Im，輸出二極管Do立即關斷（S和Do這時都不是軟開關，這不是本文研究的內(nèi)容）。S開通后，V1的極性變?yōu)檎?，其感應電壓V2也跟著變?yōu)檎?；Cs和LR在V2作用下發(fā)生串聯(lián)諧振。設耦合電感的變比為N2/N1，則有：

此時，iin（t）包含有兩個電流分量，即

iin(t)=Im＋iLRc(t) （4）

式中：iLRc(t)=(N1/N2)iLR(t)

模態(tài)3〔t2－t3〕 t2時刻，vCs(t)到達最大值Vin，并維持不變。iLR(t)在電壓(Vin－V2)的作用下線性下降，即

模態(tài)4〔t3－t4〕 iLR(t)在t3時刻下降到零，并維持不變，電路進入LM充電階段。

模態(tài)5〔t4－t5〕 t4時刻S關斷，Cs放電，vCs(t)線性下降，實現(xiàn)主開關的ZVS關斷。故S上的電壓為

在t5（對應于前面的t0）時刻Cs放電完畢，開始下一個工作周期。

3 新型關斷電路ZVS的實現(xiàn)條件

根據(jù)模態(tài)3，電路能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS的條件是在t2時刻，vCs(t)的最大值必須大于Vin。而vCs(t)的最大值取決于N2/N1和輸入輸出電壓之差，根據(jù)式（1）和式（3），并設m=Vo/Vin，則有

其曲線如圖6所示，位于曲線下方的區(qū)域滿足ZVS條件。

由模態(tài)5可以看出，S在關斷時候的電壓上升速率由Cs和Im決定，見式(6)。對于確定的Cs，當Im越大時（即負載電流越大的時候），其斜率也大，后面給出的試驗波形圖也可以說明這一點。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述的理論分析，設計了一個CCM Buck變換器。其主要參數(shù)如下：Vin=40V；Vo=13V，LR=10mH，Cs=44nF，N2/N1=1，Lm=74mH；Ds和DR采用超快速恢復二極管，Do為肖特基二極管。開關頻率為50kHz。

試驗研究了電路在不同負載電流條件下，主電路開關過程的試驗電壓和電流波形分別如圖7～圖9所示。由圖可以看出，開關管實現(xiàn)了ZVS，且開關管的電壓應力等于輸入電壓；開通過程也近似于ZCS開通，額外的諧振電流分量相對于主電流來說不大，不會對電路的工作造成不良影響。

圖7和圖8

5 結(jié)語

本文提出的新型ZVS關斷吸收電路，巧妙地利用了不同開關狀態(tài)下主電感電壓極性的不同，來恰當?shù)乜刂芞VS關斷電容的充電和放電，從而實現(xiàn)了軟開關。從理論分析和實驗結(jié)果可知，這種無源無損吸收電路可以實現(xiàn)開關管ZVS關斷，開通也接近ZCS效果。且開關管所承受的最大電壓應力等于輸入電壓。

這種ZVS關斷吸收電路所需要的外加元器件數(shù)量很少，而且可以很容易地推廣到其它各種基本拓撲結(jié)構(gòu)中。