(完整word版)新型ZVS型Buck的ZVSQRC的设计

1、图XXX公式表示需要实际仿真后需要替换的项目，放在在这里仅仅为了做例子 表示未经过仿真所计算的电路数据，仿真时可根据需要自行修改数据1引言为减小DC/DC变换器尺寸和损耗，必须提高变换器开关频率，而开关频率的提高会直接 提高开关损耗引入软开关技术可解决这个矛盾这里主要研究Buck变换器的软开关电路,并通过仿真寻找软开关实现的条件。课本提出一些软开关技术。但均存在不足。这里提出种改进ZVS QRC Buck变换器。可有效降低器件电压应力。为适应谐振过程还需设置一定 死区。2、ZVS型Buck准谐振电路 2.1、电路结构图1为ZVS-Buck-QRC 电路结构。他基亍降AM觀敢廿盘餉诵振駆&

2、;滋旳授冈做和图1 ZVS-Buck-QRC电路结构Uin为直流输入电源；开关管 Vi、续流二极管 VD输出滤电感Lf、输出滤波电容 Cf和负载R构成基本Buck电路；反并联二极管 VD1、谐振电容Cr和谐振电感Lr，用来实现软开 关。简单来说，当V1为关断状态时，Cr、Lr串联谐振，使V1实现ZVS开通；当Vi为开通状态即将关断时， 并联电容Cr可有效抑制Vi两端电压上升速度，降低关断损耗, 抑制电压尖峰。22软开关工作条件Vi工作在ZVS开通状态，则必须在 Cr两端电压Ucr已为零而Lr上电流咕还未衰减到零的时段内向Vi发送开通信号。Vi从上个周期关断到这个周期开通的时间间隔（即关断时间）

3、 可表示为：Toff 二 Tg（i 一 D）（i）式中：D为Vi门级脉冲的占空比。谐振周期Tr =2 . CrL/。即要实现Vi的ZVS开启，需满足：TrT°ff ： Tr（ 2）22.3、电路参数设计Um为2.93.iV，额定3V;输出直流电压 Uo为0.40.45V ； 额定功率P° =280W ;开关频率fg =500kHz。为减小输出电流、电压纹波，选取Lf =400H， Cf =500H。g通常取0.150.65即可,fr为计算方便，取=0.2。则谐振角频率为:1LG7-1= 2：fr =10-也=1.57x10 rad s(3).2 .2谐振时Lr和Cr储能相等

4、，即 Lr，Lr -Cr，Cr ,由Ucr ： 2U 可得2 2用此式除以式（3）可得Lr =131.43 JH ，仿真中取150 JH ;Cr = 4.51 nF，仿真中取 4.6 nF。2.4、仿真结果图2a为ZVS-Buck-QRC 仿真结果。通过谐振作用降到零后导通，实现ZVS开通，与理论分析完全相符。图2b|为ZVS-Buck-QRC 与传统Buck电路效率曲线。可见，ZVS-Buck-QRC 较传统Buck变 换器在低负载时效率平均提高约7%。6420 3 I 505ii亠、一亠于 Aw-Ailv、一 MS4* ZVS-Buck-QRC馬统Buck变换器3 182 3【86 3 1

5、90 3 194 3 198 z/us(a)ZVSBuck-QRC 仿真结果506070809000/VW(b)效率曲线ZVS-Buck-QRC电路通过谐振实现了 ZVS，但ZVS只能在一个特定时间段内实现，即D只能在特定范围内调节，ZVS状态下输入电压只能在小范围内连续调节，设计谐振参数时需图2a与2b预先知道电路大概工作的占空比范围，此外，在谐振过程中将会提升至数倍以上的，增加了开关器件的耐压要求，这两个缺点极大限制了此电路的实用性。3改进ZVS型Buck变换器3.1电路结构图3表示改进ZVS型Buck变换器电路。相比图1电路，改进ZVS型Buck变换器电路添加了辅助开关及其反并联二极管、

6、电容与互补开通。3.2电路工作流程分析为简化分析，作如下假设：电路已工作稳态；Cf足够大。即一个开关周期 Tg内认为输出电压恒为 Uo ； Lr与Lf相比很小，Cr与Cc相比很小；稳态工作时Cc两端电压恒为UCc。电路进入稳态后，在一个 Tg内可分为8个状态。选取 V关断时刻为分析起始点模态 0。模态1（鮎匕）to时刻前Vi导通，V和VD关断，电源通过 Lr,Lf向负载供电。to时刻关断，Cr、Lr开始谐振，VD导通，Lf两端承受反向输出电压，iLf线性下降。diLfU0,Ucr -Ujn U cc。由于Ucr不能突变，Ucr从零开始上升，dtLf上升至Um Ucc时，Lr两端电压Ul下降到-

7、Ucc , VD?导通。此时Ucr被限制在5n，Ug，模态1结束。模态2 （ tit2 ） ti时刻VD2导通，ULr =Ucc,咕线性下降。直到t2时刻心下降到di ir U ccI Lr LrI oLr零。竺，可得UccJ，又由于-1。，代入上式可得Ucc _ 。dtLr12 - tit? 一 ti由于iLr下降过程中VD2导通，故在模态 2中某时刻向V2发送触发信号可使 V2实现ZVS开通。Rl和VD形成回路。模态3 （ t2t3）t2时刻，iLr过零。由于在模态 2中已向 V发送触发信号,V2在t2时-J:I I刻正式导通，Lr仍承受-Ucc，iLr反向线性增大， 一丄二-亠，到上3时

8、刻I Lr达到反向峰 dtLr值min。模态4（t3t4）t3时刻V2关断，由于电感电流不能突变，iLr通过Cr，即Cr、Lr开始谐振。这时，只要死区足够大，且Lr中储存的能量大于cr中储存的能量，即L I i 2r min2 -2设t4时刻Cr中储存的能量完全释放，Ucr降到零。CrUcr ，Ucr就可以降到零。22 2模态5（ t4 t5）t4时刻UCr降到零，由于LrI min _ Cr Ucr可知此时电感电流还没有2 2过零，由于电感电流不能突变，VD1导通，V1两端电压uV1仅为VD1的导通压降，在此模态:I I内向V发送开通信号可实现 ZVS开通。ULr恒为U in , I Lr线

9、性下降，一丄二。时刻I Lr dtLr可继续正向增大。模态6（ t5 t6）t5时刻，V导通，iLr线性上升，t6时刻iLr = iLf ，vd关断。模态 7（ t6t7）电源通过Lr、Lf向R供电，iLr线性上升,diLr _ U in - U 0dtLrLf直到t7时刻V1关断，开始一个新周期。在模态5中，虽然V1有触发脉冲，但由于iLr仍为负值，V1不能立刻导通，要等到iLr过零 后才能实现DiLr到V的换流。即 V实际的导通时刻与触发脉冲发送时刻不同，存在一个占4所示。由式（2）与模空比损失的现象。由上述分析可得电路在一个周期的工作波形如图态1可知死区时间大于 Tr的一半，即TD。2图

10、4流程分析图若希望V工作在ZVS开通状态，则必须在ucr已为零而iLr还未衰减到零的时段内向 V发送开通信号。同时。由于存在占空比损失， 故实际占空比应该大于理论占空比，即4仿真及实验 4.1电路参数设计及谐振回路参数选择900V。U in =3V，U 0 =0.425V， P0=3OW开关频率 fg =500kHz。V承受电压应力不高于Lf =400 JH ,Cf =500 JF。负载电流 Io ： 0.227A（ 80% P0）D+0.14。为尽量提高D可调范围，死区不能太宽，TD =7%Ts ;由TD 卫可得Tr _1.4S，2LrIm'；由 UCU. Ucc 可知，为2 2r

11、=4.49x106rad s-1.由 LrI minCrUcr 可得 uCr2 一 2控制V1电压应力不超过 900V , Ucc=1.14V ;同时Ucc 匹 可知Ucc与loLr成正比，将t2 一匕Ucc=1.14V,10 =0.227A 带入可得 Lr 22 JH 代入，r可得Cr ”2.25CrLr（实际计算值为0.00225,仿真者请慎重仿真）。4.2仿真结果5 ooooo.642AM63.06863.064 < 363.0663.05663.0524 878 4882 4 886 4 890 4894280t/s改进ZVSBuck变换器仿真285290295(b)负载电流30

12、0图5a与5b图5为提出变换器仿真与负载电流波形。可见，Uvi被成功限制在900V以下。V2关断后通过谐振作用下降到零，v1实现zvs开通。此外，死区设计很关键，倘若死区太小cr没有完全放电，不能实现 ZVS开通；死区过大，iLr过零，Cr重新充电，也无法实现 ZVS。 由于使用了软开关技术，fg可取很高，这里开关频率fg=500kHz，图5b为I。波形。很明显由于提高，输出电流波纹明显降低。这样，在同样波纹要求下，Lf和Cf取值可以很小，有效降低了装置的整体体积。5结论设计提出的一种改进型 ZVS型Buck电路，仿真及实验证明该电路降低了器件电压要求，而且带载效果良好，有效降低了滤波器要求。

13、参考文献【I】陈刚软开关双向 DC / DC变换器的研究D】杭州：浙江大学.2001 .【2】胡平，谢顺依，杨迎化，等.新型 ZVS全桥DC/DC变换器J】.电力自动化设备，2010, 30(2): 103105 .【3】杨德刚，赵良炳.软开关技术回顾与展望【J】.电力电子技术，1998 , 32(2): 96 101.【4】CMudio M C Duarte , Vitor Mauro Fiori . A New ZVS PWM Active-clamping Buck-BoostConverterA . Power Electronics Specialists ConferenceC . 2005: 14291433 .【5】秦岭，谢少军，周晖.一种新型ZCS . PWM Buck变换器研究【J】.电力电子技术，2007, 41(2): 13 15.【6 】Chie n mi ng Wang, Chi ng hung