BUCKZCSPWM主电路设计与仿真

1、摘 要电源是各类电子设备的重要组成部分，没有一部高质量的电源，难以保证电子设备的正常工作。由于高频开关电源在重量、体积和效率等方面是线性电源无可比拟的，因此在许多领域中得到广泛应用。那么开关电源在工作的过程中，开关工作要么闭合，要么断开，单从开关的两个稳定状态看几乎没有损耗。但是实际情况并非如此。在开关状态转换期间，开关上的电压和通过的电流都将发生变化，开关上将出现电压和电流重叠的现象，因而会产生很高的瞬态功率损耗。像这样无条件地直接触发开关器件使其导通或者关断的工作方式，叫做“硬开关”工作方式。如果开关的工作频率很高，那么这种硬开关方式所产生的损耗就会相当可观，导致变换器的效率严重下降。因此

2、硬开关状态称为制约开关电源工作频率提高的技术障碍之一。任何种类的开关，计时工作时间再短，由通态转变到断态，或由断态转换到通态都需要时间，由电力电子器件实现的电子开关也不例外。开关损耗是一种可观存在，而且随着工作频率的提高，它将变成电能变换过程中功率损失的主要因素，严重影响开关电源的工作效率。为了降低发生在“硬开关”上的损耗，人么年先后提出了各种“软开关”技术方案。所谓“软开关”就是让电子开关在状态转换期间尽量避免出现电压和电流的重叠现象，重叠程度越小，则开关就越软，如果没有重叠就称之为“零开关”。本课程设计就Buck变换器增设辅助开关，主电路中引入谐振元件实现“零开关”工作状态。在主、辅开关工

3、作开通及关断时实现电流为零的“零电流软开关”技术。旨在降低开关损耗，降低电力电子开关器件发热，提高变换器工作效率。关键字：开关电源，ZCS-PWM BUCK，效率目录1 ZCS-PWM BUCK变换器主电路结构1 1.1 BUCK变换器电路简介11.2 ZCS-PWM BUCK变换器电路结构介绍52 ZCS-PWM BUCK变换器电路参数计算92.1 主电路参数计算92.2 辅助元件参数计算113变换器电路在P-SPICE软件下仿真波形12 3.1 主电路仿真波形12 3.1.1电流临界波形13 3.1.2电流连续波形14 3.1.3电流断续波形15输出电压波动与电感电容的关系16输出电压波动

4、与开关频率的关系17电路各部分损耗分析18 3.2零电流软开关仿真波形及功耗分析19参考文献231 ZCS-PWM BUCK主电路结构1.1 BUCK电路简介BUCK型变换器是一种单开关非隔离变换器，其电路组成如图1-1所示，它由一个电子开关S，二极管D，电感L，电容C和一个基本负载R构成。如果让开关S周期性导通、关断，对输入电压进行斩波，在二极管的两端可以得到一连串方波电压VA，。经过串联电感滤波电路的滤波，在输出端就可以得到平稳的输出电压VO了。控制开关S开通和断开的比例，就可以控制输出电压VO的高低了。图 1-1 BUCK变换器主电路图1-2 BUCK变换器两种开关状态下等效电路占空比定

5、义：为了叙述和分析问题方便，设开关的闭合导通时间为Ton，断开的时间为Toff，开关的周期为Ts，我们用占空比D来描述开关S接通的时间和工作周期的比例关系，占空比D定义为： (1.1)其中Ts是开关的动作周期，(Ts=Ton+Toff)。1 电感电流连续时的情况：1)电感电流连续下的电压增益M开关闭合式电感电流增加，得到开关闭合时的原始微分方程： (1.2)考虑初始条件iLo0，可以解出电感电流的表达式： (1.3)当t=Ton时电感电流有最大增量iLp=iL(Ton)-iLo: (1.4)当开关断开时，电感电流将下降。开关断开时的原始微分方程式： (1.5)由此不难得出开关断开期间电感电流的

6、的(负)增量iLm： (1.6)由电感电流的连续性可知稳态工作时一个周期内电感电流的净波动量应为零(否则就不是稳态)。所以由式(1.4)(1.6)必有iLp+iLp=0,。即有如下等式： (1.7)消去L，并注意到Ton=DTs和Toff=Ts-Ton=(1-D)Ts，可以得到输入电压Vi、输出电压Vo和占空比D三者的关系式如下： Vo=ViD (1.8)按照通常习惯用Vo/Vi表示电路关于输入电压到输出电压的变换增益。因此电流连续时BUCK变换器的电压增益为：Vo/Vi=M(D)=D (1.9)由于总有D1，所以总有VoVi，因此BUCK变换器又叫做降压变换器。2)滤波电感L根据上面的分析可

7、知电感电流iL呈周期性脉动，是一个锯齿波。电感电流的平均值等于输出的负载电流Io(IL=Io)，其脉动成分就是滤波电容的充、放电电流ic。因此有如下关系：Io=0.5(iL1+iL2)=IL (1.10)式中：iL1是电感电流的最大值，iL2是电感电流的最小值。 IC=iL-IO (1.11)另外由临界电感的定义，当IL/2=IO时电路处于临界状态。由此可得BUCK变换器的临界电感值满足： (1.12)即： (1.13)式中，Lc是临界电感，fs是开关工作频率，R是负载电阻。我们用来描述电感电流的相对波动情况： =IL/2IL (1.14)在0-1的范围内取值。=1对应电感电流的临界点。越小说

8、明电感电流的波动越小，输出的纹波电压也自然越小。这样利用式(1.14)可以得出具有指定的电感电流脉动程度下的输入电感的计算公式： (1.15)3)滤波电容C由于电感电流的波动值就是滤波电容的充、放电电流值，其波动分量将造成电容电压的波动最终形成输出纹波。电容电压的波动量计算如下： (1.16)式中IL-电感电流脉动量。将(1.15)代入(1.16)并注意到fs=1/Ts，可得： (1.17)将(1.15)的关系代入(1.17)并采用纹波的修正定义，得到电路参数与纹波系数的关系： (1.18)可以看出为了获得较小的纹波系数除了选择适当的滤波器参数之外，提高工作频率也是降低纹波的有效途径。对于同样

9、的纹波系数，当采用较高的动作频率时，滤波器的参数也可以取较小的数值，不但有利于降低开关电源的体积也能够提高系统的响应速度。2 电感电流断续时的情况 电感电流断续时的情况比较复杂。它出现在电感值过小、负载电阻较大、占空比较小的时候。不再详细介绍。电感电流连续及电感电流断续时BUCK变换器个点的典型稳态波形如下：图1-3 BUCK变换器工作波形1.2 ZCS-PWM BUCK电路结构介绍零电流开关变换器也是通过增加辅助开关的办法在主电路中引入谐振元件实现的(图1-4)。不同的是串联的谐振电感在主电路开关通道上，而谐振电容是串联在辅开关管的通道上。图1-4 ZCS-PWM BUCK变换器电路1)ZC

10、S PWM 变换器工作过程整个软开关工作过程分为六个阶段，工作波形如(图1-5)所示。开关阶段1：t0-t1在此之前主开关和辅助开关都处于关断状态，负载电流由电感电流通过二极管D续流提供。当t0时刻主开关S导通，电压Vi加在谐振电感Lr上，由于存在电感Lr电流从零开始增加，故S是零电流开通。随着这个电流的增加，续流二极管的电流将逐渐下降，当续流二极管电流下降到零时，谐振电感电流也就是输入电流等于负载电流，该阶段完成。在这个阶段中，谐振电感电流为 (1.19)持续时间为： t01=LrIo/Vin (1.20)开关阶段2：t1-t2此阶段开始辅助开关上的反并联二极管导通，谐振电容和谐振电感开始谐

11、振工作。谐振电容被充电到2倍的输入电压。在此期间，谐振电流经历了从负载电流值到最大值，然后重新又减小返回到负载电流值的过程。这个电流最大值与谐振特征阻抗Zr有关。此阶段谐振电流和谐振电容表达式为 (1.21) (1.22)经历时间为半个谐振周期： (1.23)开关阶段3：t2-t3所有开关保持原来状态，谐振电流等于负载电流不变，是呈现恒流特性的恒流阶段，这个阶段的长短可以根据占空比的变化而变化，是自由时间段。开关阶段4：t3-t4在即将关断主开关之前，开通辅助开关Sa，既是这个阶段的开始。由于谐振电容的加入导致发生谐振。谐振电容通过谐振电感向输入电源放电导致谐振电感电流下降，负载电流中因谐振电

12、感电流减少的部分由谐振电容的放电电流补充。此阶段的谐振电感电流和谐振电感的电压表达式为： (1.24) (1.25)当谐振电感电流由正变负后主开关上的反并联二极管导通，此时主开关的电流为零，并且同时也给主开关提供了零电压关断条件。此时关断主开关既是零电流关断也是零电压关断。次阶段维持在谐振电感电流再次回到零之前。这个阶段结束时，谐振电容电压为： (1.26)另外，此阶段中电容放电电流时堵在电流与谐振电流之和。此阶段的维持时间为： (1.27)开关阶段5：t4-t5这个阶段开始时谐振电容不应放电完毕，谐振电容谐振放电电流等于负载电流。此时，电容电压的变化规律为： (1.28)当电容电压等于零时，

13、在负载电流作用下，续流二极管D1导通，给辅助开关创造了零电流关断条件(同时也是零电压)。开关阶段6：t5-t0在续流二极管导通之后，就进入了开关阶段6。在此之后任意时间里关断辅助开关都能实现零电流(同时也是零电压)关断。就是这个阶段的时间也是可也任意调节的，直到下一个工作周期主开关在此导通。由上面的介绍可以看出，主开关和辅助开关都可以具有良好的开关条件，尤其是关断条件最为优越。2)谐振参数的设计由上面的分析可知为了在任意负载下实现零电流开关，谐振电感的电流必须能够谐振到零，因此可以得到下式： (1.29)式中特征阻抗。同样，谐振电路不能对变换器产生过大影响，因此谐振频率和工作频率之间应该满足：

14、 fr=N*fs (1.30)式中N一般取4-10，谐振频率，所以可以推导出谐振电感和谐振电容的计算公式： (1.31)由于谐振电感电流的最大值就是主开关电流的最大值，所以最大开关电流是2倍的最大负载电流。同样地，续流二极管承受的最高电压为2倍的输入电压。3)ZCS-PWM BUCK变换器的占空比调节范围根据ZCS的工作原理和工作波形我们可以看出ZCS-PWM BUCK变换器的调节范围是受到零开关条件制约的。由图可以看出，辅助开关闭合的时刻必须是谐振电流已经等于滤波电感电流以后，亦即谐振电容上的电压必须已经达到谐振峰值。否则不能保真谐振电流反向谐振过零，也就不能保证主开关的零电流关断。所以主开

15、关的最小占空比必须大于谐振周期的一半： Dmin Tr/2 (1.32)另外，辅助开关闭合后引发谐振使谐振电感电流谐振到零，从而为主开关创造零电流开通条件。因此，谐振电感电流降为零之前主开关不能应开通，同时为了确保下次也能实现零开关条件，谐振电容电压必须确保为零。所以为了确保主开关为零电流开通，主开关最小关断时间至少应该大于谐振周期的一半。因此最大占空比为： Dmax 1-Tr/2Ts (1.33)由式(1.30)可知，如果按此选择参数，实践中这个占空比约束条件一半不会对应用造成影响。2 ZCS-PWM BUCK变换器电路参数计算2.1 主电路参数计算题目要求电源工作频率400KHZ，输入DC

16、48V，输出DC24V，输出功率96W，输出电压纹波小于1。按照要求，首先计算占空比。根据式(1.9)： D=M(D)=Vo/Vi=24V/48V=0.5根据输出功率96W，输出电压24V，容易得到负载电阻R=6接下来计算临界电感Lc：根据式(1.13) 计算得出临界电感Lc=3.75uH由于负载为纯电阻，电压波动即是电流波动，题目要求电压波动1%取=20%=0.2根据式(1.15) 计算得出所需滤波电感L=18.75uH计算所需滤波电容C：根据式(1.18) 取=0.005计算得出滤波电容C=4.2uFLC滤波器的通频 计算得出fc=18.4KHz<<fs=400KHz2.2 辅

17、助元件参数计算接下来计算ZCS-PWM BUCK变换器中增加的辅助电容电感 根据式(1.29) Vin=48V，Iomax=4(1+0.005)A=4.02A，取Kc=0.3，N=4根据式(1.31) 计算得出Lr=0.36uH，Cr=37nF谐振频率fr=5.5MHz根据式(1.32)检查占空比是否能大于谐振周期一半：因为D=0.5，fs=400KHz，fr=5.5MHz，那么 DTr/2，符合要求。另外，根据式(1.33)：1- Tr/2Ts=0.97D=0.5，符合要求。3 变换器电路在P-SPICE软件下仿真波形3.1主电路仿真波形主电路电路图：图3-1 BUCK变换器主电路仿真电路对

18、以上电路图进行仿真，其中开关MOS管的PWM脉冲设置如下： V1=0,V2=15V,TD=0s,TR=0s,TF=0s,PW=1.25us,PER=2.5us则能得到周期为400KHz占空比0.5的PWM开关控制脉冲。图3-2 开关PWM脉冲设置窗口3.1.1电流临界波形前面计算得知，临界电感Lc=3.75uH，仿真电路图中将L设置为3.75uH，电感电流，主开关电压电流，续流二极管电压电流如下：图3-3临界电感值下电压电流波形图3-3可以看出当电感值取临界电感值时，电感电流波动最低谷为零，处于临界状态，开关上的电压和电流和续流二极管上的电压电流互补。开关和二极管承受的最大电压为输入电压48V

19、，开关导通时开关中的电流从零开始上升，开关断开时电感通过续流二极管续流，电流慢慢下降，在周期末二极管中的电流刚好下降到零3.1.2电流连续波形增大电感值，将其增大到符合设计要求的电感值L=18.75uH，再次观察波形如下：图3-4 电流连续状态下电压电流波形从图3-4中可以看出在电感值取设计要求电感L=18.75uH时，电感电流处于连续状态，开关和二极管中的电压与电流还是互补的状态，在开关导通时，开关中的电流并非从零开始增长，而开关断开之后，续流二极管中的电流也未下降到零，这正好就体现出了电流的连续状态。3.1.3电流断续波形在临界电感Lc=3.75uH的基础上再减小电感值，取L=0.5uH，

20、电感电流开始断续，电路波形如下图所示：图3-5 电感电流断续状态下电压电流波形从图3-5中可以看出当电感小于临界电感之后，电感电流下降到零之后会发生断续的情况，此时L和C会发生谐振，电压和电流会产生波动。也可以看出电感值越小，电感中的最大电流就会越大。3.1.4输出电压波动与电感电容的关系 第一次取电感L=18.75uH，C=4.2uF；然后保持电感L=18.75uH，电容减小C=1.5uF；最后减小电感L=9uH，电容和第一次一样C=4.2uF，三次波形如下图：图3-6 输出电压波动与滤波电感电容的关系由图3-6第二个波形、第三个波形分别与第一波形对比可以看出，滤波电感、电容越大，那么输出电

21、压的波动越小；滤波电感、电容越小，输出的电压波动越大。要想获得波动较小、比较平直稳定的输出电压，就要适当加大滤波电容和电感。3.1.5输出电压波动与开关频率的关系先取开关频率f1=400KHz，再取开关频率f2=200KHz，对比输出电压波动如下图：图3-7输出电压波动与开关频率的关系从图3-7看出，在未改变其他参数情况下，频率为400KHz的时候输出电压波动的峰-峰值为0.118V，在频率为200KHz的时候输出电压波动的峰-峰值为0.468V，说明提高工作频率后输出电压波动会明显变小。3.1.6电路各部分损耗分析稳态情况下电路中包括电源输出功率、开关上消耗的功率、二极管上的功率、电容上的功

22、率、电感上的功率、输出负载功率波形如下图所示：图3-8电路各部分损耗波形从图3-8中可以看出，电源输出功率大部分消耗在负载上，小部分消耗在开关与二极管上，电感与电容不消耗功率，仅有瞬时的充、放电功率。输出平均功率Pi=-111.5W，开关消耗的平均功率Ps=5.9W，二极管消耗的平均功率Pd=2.3W，输出功率Po=103.3W。变换器效率=(103.3/111.5)×100%=92.6%。要提高变换器效率可以采用快恢复二极管，还能采用软开关技术，降低开关损耗。3.2零电流软开关仿真波形及功耗分析在第二章中已经计算出辅助谐振电感、电容值Lr=0.36uH，Cr=37nF，但在实际仿真中发现Lr取0.36uH偏小，增大至0.8uH仿真出的零开关效果较理想。对下图进行P-spice仿真：图3-9 ZCS-PWM变换器仿真电路图 其中主开关触发脉冲信号发生器与之前设置不变，辅助开关触发脉冲发生器参数设置：V1=0,V2=15V,TD=0.9us,TR=0