基于BUCK电路的新型软开关电路设计

周浩文 李迁

摘   要：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。

关键词：降压变换器  软开关  Saber仿真

中图分类号：TM46                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0128-07

Abstract： 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.

Key Words：Buck converter; Soft switching; Saber simulatio

1  引言

1.1 研究背景

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[1]。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，从而將软开关实现，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[1]：（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。

而本文通过合理的设计，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Uin总是大于输出电压平均值Uo。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iL一直大于0;断续导电模式：稳态工作时，每个周期内iL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，开关频率都上兆。

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1所示。

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=20μs（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=470μF，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Uo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。

由图3可以清楚地看出，稳态时，输出电压值为4V，输出电流Io=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，如图4、5所示。

由图4和图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正常工作效率，不仅造成电路的工作效率低，存在開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，产生了更多的安全隐患，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Vgs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Co共同组成零电压开通的Buck变换器，Ro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电容C1，C2用来与电感L组成准谐振回路进行充放电，电容Co是滤波电容，取值较大即可，只起到滤波电容的作用。VS1和VS2分别由触发脉冲ug1和ug2互补驱动，ug1、ug2分别为VS1、VS2的栅源极电压，并且ug1和ug2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。

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[2]。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[3]，下面结合图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Vin、开关管VS1、电感L、滤波电容Co和负载Ro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iL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[t1-t2]：VS1关断后，此时电路由输入电压Vin，结电容C1，结电容C2，电感L，滤波电容Co，负载Ro组成。电感电流iL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iL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[t2-t3]：此时电路由电感L、滤波电容Co、负载Ro、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[t3-t4]：此时电路由电感L、滤波电容Co、负载Ro、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。iL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iL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。

至此，所有参数计算完毕，可进行仿真验证。

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、电力電子、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[4]。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[5]。

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件，这就是软开关电路与硬开关电路本质的区别所在。其实这是软开关电路工作在DCM模式下的特殊情况，硬开关电路之所以出现电感电流断续的工作情况，就是因为原本要反向的电流没有流通的通路，造成电流为零，在软开关电路中，由于有了开关管两端并联的反并二极管，为反向的电感电流提供了通路。

最后来看输出电压，直接双击out，就绘制出了out端的电压，即输出端的电压如图7所示。

由图7可以清楚看出，输出电压在23.8V左右，而设置的输入电压48V，D=0.4，按理论值，输出电压应该为48×0.4=19.2V，为什么会出现这种情况？这是因为有死区时间的存在，即tdead1=tdead2=0.5μs，若把死区时间算在内，实际的占空比，应该在D=0.5，输出电压应该为48×0.5=24V左右，仿真的输出电压在23.8V，可见此Buck电路的效率非常高，为23.8×6/（24×6.3）×100%=94.4%，比硬开关的Buck电路效率的58.8%高出了许多，开关损耗得到了明显的抑制，为器件的高频化发展提供了有力条件。

4  结语

Buck电路作为一种最基本的DC/DC拓扑，通过这样的一个基础电路，来研究软开关这门技术是一种非常好的方式。

本文通过合理的设计，基本实现了Buck电路的软开关。分析了主电路的工作原理，针对开关管的工作特性，设计了辅助电路，选择各种元器件参数，完成了仿真模型的建立，分析方法和硬件参数的理论推导。通过仿真软件对控制系统进行仿真研究，分析其中的关键器件和参数，以保证主开关管和辅助开关管的零电压导通。

本文讨论的只是Buck电路的其中一种的软开关实现方法，由于软开关技术还处于飞速发展的阶段，各式各样的软开关拓扑也是层出不穷，相信在不久的将来，一定会有更加先进的软开关技术呈现在世人面前。

参考文献

[1] 金海明.电力电子技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[2] 张化光，王强，褚恩辉，等.新型谐振直流环节软开关逆变器[J].中国电机工程学报，2010，30（3） ：21-27.

[3] 陈世杰， 顾亦磊， 吕征宇.Buck电路的一种软开关实现方法[J].电力电子技术，2004，38（1）：33-35.

[4] 罗伟， 张明焱.基于Saber的Buck电路仿真与分析[J].电力系统及其自动化学报，2007，19（3）：122-124.

[5] 刘康珍，张延安.用Saber作交直交系统仿真[J].电气开关，2008（6）：63-64.