一种新型无源软开关BUCK变换器的设计

夏守行毛小群

（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）

一种新型无源软开关BUCK变换器的设计

夏守行1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）

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通路上，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。

Buck变换器；软开关；冷却风扇；LC谐振电路

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[1-3]。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[4]，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[5]。

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，VC为输入直流电源电压，C1为电源滤波电容。S为主开关，L2为主储能电感，电感量较大，VD1为其续流二极管，设 L2和 VD1的电流分别为 iL2和 iD1。L1的电感量较小，通过的电流为 iL1，L1实现了 S的零电流开通，VD5为 L1的续流二极管，L4为共模滤波器，可减小风扇引线引起的干扰，RF为风扇等效电阻，va和vb分别为L1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L3构成，且 L3＞＞L1、C2=C3=C，C2和 C3的充放电情况是相同的，iC为C3电流，VD2和VD4分别为它们的放电通路。C4为滤波电容，RL为负载，VO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的控制波形。在t0前，S为关断，若L2电感量足够大，VD1仍处于续流状态。从t0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

图3 各模态等效电路

模态一：t0～t1时段，S导通，vb≈0，iL2仍线性减小。iL1即为开关S的电流，iL1从零开始线性增大，iD1则减小，iL2从VD1向L1换流，至t1时结束。

模态二：t1～t2时段，S仍导通，由于L3＞＞L1，vb数值较接近于 VC，iL2也近似线性增大。LC谐振电路谐振，iL1由两部分组成，有iL1=iC+iL2，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，C2和C3充电后，其端电压与VC基本相等。

模态三：t2～t3时段，S仍导通，vb≈VC。此时段iL2线性增大。

模态四：t3～t4时段，S关断，vb逐渐下降，iL2减小。L1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t4时，C2和C3上的电荷放电完毕，iL2向VD1换流。

模态五：t4～t5时段，S仍关断，vb≈0。VD1导通，为L2续流，iL2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L2工作于电流连续CCM（continuous current mode）模式，在体积允许的条件下，L2电感量选得大一些更为有利，在较大功率输出时，可保证 L2工作于 CCM 模式，且 iL2波动也不会过大。如L2电感量选得较小，虽可减小L2的体积，但在较大功率输出时，iL2波动范围如仍过大，甚至L2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L2发热量变多，且C4滤波不易。由图2知，iL2的峰谷值分别为It3和It1，则iL2波动量为It3−It1，在最大功率输出时，在工程上一般可取

L2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

3.1 L1电感量选择

在S即将关断的t3时刻，iL1=iL2=It3，L1储存的磁能只能通过RF转化而释放，则

式中，f为开关 S的工作频率，PF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L2的电量等于负载的电量，有

式中，IL为RL的电流。当变换器输出电压一定时，由式（3）可知，It3会随输出功率的增大而增大，开关 S和 VD1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。

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PF。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 PF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L2工作于CCM模式下，硬开关Buck变换器的输出电压式子 VO=VCδ 仍然适用，δ 为 vg的占空比，则 L2的峰谷值电流分别为式（4）和式（5）所示[6]，即

由式（2）和式（4）可解得L1的最小值L1min，为

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

式中，T为开关S的开关周期。在模态一时段内，iL1线性增大，至t1时iL1=It1，有

由式（5）、式（7）和式（8）得L1最大值L1max为

计算后，如L1min反而大于L1max，说明需要的风扇功率较大，但L1电感量过大时会限制S的开关频率，还会增大L1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L2的电感量，但应注意L2的电流波动不能过大。相反，如L1min＜L1max，说明S和VD1的发热并不多，风扇功率可用得较小，可适当增加L2的电感量。

3.2 谐振电容量和L3电感量选择

在模态二时段，iL2变化率比iC小得多，可忽略iL2的变化因素，则谐振电路方程为

式中，vC为谐振 电容端电压，RS为谐振电路电阻，VD为二极管通态压降，解得

在t2时刻，即ωt=π，由式（12）可解得两谐振电容端电压等于VC，为S零电压关断做好准备。谐振电容电流iC为

由式（13）可知，当C为一定值时，电感量L越大，谐振电流峰值就越小。由于L3不在主电流通路上，L3可选得大一些。如设iC的峰值电流与负载最大电流ILmax的比值为k，则

一般认为，当 k小于 0.5时，谐振电流峰值就不算过大了，则有

由式（15）可求得L的最小值，即

在模态四时段，iL2≈It3，C2和C3所充的电荷分别通过VD2和VD4向负载释放，放电时间TD为

如取TD与S关断时间toff相等，得

式（18）即为谐振电容容量选择参考。

当主电路工作时，如 LC谐振电路的半周谐振是完整的，则vg的PWM脉冲最小占空比δmin为

则输出最低电压VOmin为

由式（20）得

式（20）和式（21）表明，如要保证半周期谐振的完整性，L的参数将影响Buck变换器的最低输出电压。也即只要输出最低电压允许，L3参数可选大一些，以降低谐振峰值电流。

4 实验计算和结果

为验证理论分析的正确性，制作了一个输出电压15～80V，最大电流为17A的BUCK软开关变换器，输入电压300V直流电。开关S为IGBT管，型号IRG7PH46U，VD1—VD4型号为DSEP 30-12A，L2选460μH，f =25kHz。

由上述实验要求和条件可得vg的PWM脉冲最大占空比δmax≈0.267，在最大功率输出时，由式（4）和式（5）得It3−It1=0.3IL，L2的电流波动符合式（1）要求。查IRG7PH46U的参数toff为0.48μs，由式（4）和式（18）解得C=15.6nF，本文选22nF。由式（21）得L最大电感量为37μH，由式（16）得L最小电感量为10μH，本文选12μH。由于L1在主电流通路上，考虑L1的阻性损耗和体积，L1的电感量应选得小一些，初定为1μH，则L3=11μH，L3不在主电流上，可用细一些导线制作，体积并不大。

实验中，功率管VD1和S装在稍大的散热器上，并在其上压上一片较小的散热片，使散热更充分一些，现场室温为 14.3℃，让电路工作于最大输出功率状态。实验以保证功率管VD1和S上较小的散热片温度不超55℃为例，实际中可在老化环境温度中，以功率管的基板温度不应超过 85℃选择[9]。经调试后，用12V 0.3A的风扇较合适，温升稳定后，用红外热成像仪测得VD1和S的体表散热片温度分别约54℃和 40℃。因δ 值较小，VD1导通时间更长，故VD1温度会高一些。

那么风扇功率 PF=3.6W，由式（2）和式（4）算得L1=0.75μH，本文选=0.9μH，则L3=10.1μH。把软开关BUCK电路重新置于现场室温14.3℃的环境中并以最大功率工作，风扇改由软开关电路提供，发现风扇上的电压为 12.8V，在 C5两端并上一只360Ω的电阻后，风扇电压约为12V。温升稳定后，用红外热成像仪测得VD1和S体表散热片温度如图4（a）和图4（b）所示，分别显示为52.6℃和38.9℃。如把该BUCK电路中的软开关电路全部拆除，以常规硬开关方式工作测得的温度如图4（c）和图4（d）所示，分别显示为62.9℃和50.6℃。

图4 功率器件温度

由图4可较明显地发现：采用了图1所示的软开关后，在本文实验条件下，功率器件温度可大约降低10℃左右。

图5所示为主开关S的开通和关断的波形，vce为主开关S的C极与E极间的电压，is为开关S的电流。图5表明：本文的软开关电路，能较好地实现零电流开通和零电压关断，降低了开关损耗。

图5 软开关波形

5 结论

通过对该新型软开关电路的结构和原理的分析和实验验证，新电路的特点：

1）较适合于风扇冷却的 BUCK变换器，一定程度上风扇风速可自动调节，容易实现零电流开通。实际上许多的较大功率的Buck变换器在设计时，是采用风扇冷却的，本文电路是把风扇的供电转由软开关电路提供。

2）零电压关断的谐振电路对主开关工作的依赖性不大，当谐振电容量与谐振电感的比值小于负载电流与电源电压之比的平方值的一半时，谐振电流峰值就会较小。

3）如要保证谐振电路电流的半周期完整性，谐振电感量将影响Buck变换器的最低输出电压，谐振电感量越大，输出能设置的最低电压越高。

4）实验结果和理论分析基本相吻合，有效地降低了功率器件的温升。

本文的软开关技术研究对开展较大功率的直流变换器的研究有一定参考价值。

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Design of Novel Passive Soft Switching Buck Converter

Xia Shouxing1Mao Xiaoqun2
(1.Department of Electronic Engineering,Zhejiang Industry &Trade Vocational College,Wenzhou,Zhejiang 325003；2.College of applied Electronic,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331)

On the main switch current path of Buck converter of large power,a small inductance 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 return.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 is derived.The correctness of circuit design is demonstrated by analysis and experiment.

buck converter;soft switch;cooling fan;LC resonance circuit

夏守行（1969-），男，硕士，副教授，研究方向为电力电子拓扑及其控制。