零电压软开关的设计与分析

丁昕健

（金陵科技学院，江苏 南京 211169）

1 典型零电压软开关设计

图1 中S 为双向主功率开关，S1 为单向辅助功率开关。Cr，Lr 分别为谐振电容和电感，Lf 和C。为滤波电路，R 为负载，D 为续流二极管，为了简化分析认为元件都是理想的，考虑到滤波电感Lf 较大，认为通过它的电基本不变，其值等于负载电流Io[1]。

图1 BUCK 零电压PWM 软开关电路图

该电路在一个周期内可分为五个工作阶段来分析，在To 之前，S，S1 均导通，D 关断，通过S，Lr 的电流is 及iLr 均为Io，在To 时刻S 关断，由于Cr 的吸收作用可使零电压关断，在S 关断后，电源对Cr 恒流(Io)充电，D 两端电压线性下降，到T1 时，Cr 充电到Vi，D 两端电压为零而导通，在Tl-T2 阶段电流源Io 通过D 续流，电感Lr 中电流通过S1 形成环流，电感中的能量不能释放。在T2 时，S1 由导通到关断，S1 关断后，Lr，Cr 谐振，贮存在电感中的能量对Cr 放电，在T3 时，Cr 两端电压回零，由于Vcr 为零，S 内藏二极管导通，若此时开通S，显然S 具有零电压开通特性，在T3-T4阶段中电源还对电感补充能量，电感电流线性增加，在T4时刻，电感电流达到Io，通过二极管D的电流为零，D 被关断，在T4-T0 期间，S、Lr 中电流保持为Io，电感两端电压为零，若在此阶段使S1 开通，显然S1 具有零电压开通特性。

1.1 典型零电压软开关仿真

已知：V1=48V～80V，V0=24V，P0=48～120W，fs=100 kHz，选Xmax=0.8。

求得：Iomin=2A,Iomax=5A,I 半载=3.5A，Mmax=0.5，Mmin=0.3,Z=25.4,wr=1884*103rad/s,Lr=13.5uh,Cr=21nF,3.792us

而I 半载=3.5A>2.97A 说明参数选择正确。S、S1 选用IFR245，其参数VDS=250V，ID=13A，二极管选用MUR1515，耐压150V，电为15A。本次试验在Matlaba 的simulink 环境下进行。

在I0=3.5A 时，能满足零电压开通条件，在to=5A时，也能满足零电压开通条件，但此时谐振电容峰值电压较大，约为3 倍输入电压，而在lo=2A 时，谐振电容电压在T，时不能回零，造成主功率开关S 不能实现零电压开通，其原因是负载较轻，电感Lr贮存能量少，不能使C*上电荷完全释放，若此时接通S，C，上电压通过S 导通电阻形成放电电流（如I.波形中尖峰电流）造成损耗，但由于此时lo 较少，损耗有限[2]。

1.2 典型零电压软开关的优缺点

优点：损耗相对较小，工作效率比较高，受到电磁的影响很小，谐振过程只发生在功率晶体管的开关转换过程中而输出功率的调节是通过改变功率晶体管的占空比实现的。

缺点：辅助开关不能实现零关断，那么就会在关断时产生较大的损耗。无法实现辅助开关的零电压关断，从而使得关断损耗大大增加。

2 一种新型的零电压软开关变换器的设计与分析

对于感应加热电源，以往的斩波调功基本会借助硬斩波器，以此提高电流谐波分量，增加功率开关的损耗，这会在一定程度上避免系统及开关频率的增加。基于近些年的发展，借助软开关技术能够全面降低功率开关器件的损耗，这也促使ZVT-PWM 技术获得了普及运用，其中ZVT-PWM 为零电压转换一脉宽调制技术的简称。因为其变换器辅助电路与开关之间是并联关系，对于1 个开关周期，在其开通及切断的情况下，辅助电路才会出现谐振现象，别的时间电路工作则处于PWM 状态，这显著降低了开关的损耗[3]。但这种传统的ZVT-PWM 变换器的辅助开关是硬关断，导致产生较大的开关损耗。针对传统ZVT-PWM变换器的不足，提出了一种新型软开关Buck 变换器方案。该变换器下、辅开关均实现了软开关，没有额外的电压和电流应力，并实现了一极管的软换流，大大降低了开关损耗。

2.1 新型软开关Buck 变换器的拓扑结构及工作原理

有关电路如图2 所示，它是PWM Buck 变换器同辅助吸收电路的有机结合。辅助吸收电路包含多个过程部分，如谐振电感、辅助二极管、辅助开等，在图2中分别为L、VD1，VD2，VD3、VT 等。

图2 新型软开关的原理图

2.2 设计及仿真

为更好地开展分析工作，提出了下述几个假设情况：

（1）假设输入电压Ui连续。

（2）假设输出电压U0连续，以及假设输出电容C0相对较大。

（3）假设输出电流I0连续，以及假设输出电感L0相对较大。

（4）假设输出电感L0极大地超出谐振电感Lr。

（5）假设谐振电路良好。

（6）假设半导体器件十分理想。

（7）假设不考虑全部一极管反向恢复的时长。

技术指标：其中包含输入、输出电压、负载电流及开关频率，有关指标依次是220V、80V、20A 以及20kHz。具体设计如下所示：

图4 VT2 的电压、电流波形

1.谐振电感Lr。如果Lr 太小，那么流经Lr 的电流将明显提高上升速度，将无法全面防止VD 反向恢复电流。在工程设计中，一般选△t1=t-to=0.01DTs[4]。如此可利用式（1）求出Lr 的值：

其中：D 为占空比；Ts 为采样周期。

针对具体电路，并非全部元器件都非常理想，由此，对于滤波电感Lo 而言，其电流在开关切断过程中将逐渐下降。因此，具体开展计算过程中，可借助L0上电流值来替换（1）中的Io。

2.电容Cr，C1，C2的选择：

为使VT1零电压开通，需保证Cr 上电能都转移至Lr 上：

VT1关断时刻，C2上的能量要在tf 时间内移动至Lr 上，也就是主开关切断的时间范围内，则：

根据能量守恒方程：

能够求出电容C1的值。

本电路采用simulink 对Buck 变换器电路开展了仿真，参数为：Lr=3uH，Cr=0.3nF，C1=80nF，C2=23nF，Ui=220V，Uo=80V，I=20A，fs=20kHz。

从图3 和4 可看出，对于主辅开关来看，二者依次可以达到零电压以及零电流开通及关断[5]。

图3 VT1 的电压、电流波形

3 结论

可以看到，典型零电压软开关电路中无法实现辅助开关的零关断，使得关断时的损耗大大增加，不利于开关的实现。

基于典型零电压软开关电路的缺点——无法实现辅助开关的零电压关断，从而使得关断损耗大大增加，本文介绍的新型的零电压软开关电路，新型电路可以一起促进主辅开关零电压开通及关闭。针对主开关，并无额外电压及电流应力；全部的一极管也都可以达到软换流，极大地减小了损耗。

文章对新型Buck 变换器开展了分析，围绕其结构以及原理展开了讨论，通过有关仿真结果可知，主辅开关依次可以达到零电压及零电流开通以及关断，由此将极大地降低开关损耗；针对主开关，在这之上并未形成额外电压以及电流应力；全部一极管还都可以达到软换流，在很大程度上减小了损耗，对于这方面的研究可以为有关感应加热电源软斩波的运用提供一定的借鉴。