軟開關(guān)同步升降壓變換器的研究

1 工作原理
圖1所示的是具有兩個開關(guān)管的同步升降壓變換器。其兩個開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，并設(shè)有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。通常設(shè)計中電感上的電流始終為一個方向，如圖2中iL波形所示。考慮到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時間，一個周期可以分為5個階段，各個階段的等效電路如圖3所示。下面簡單介紹電感電流不改變方向情況下的同步升降壓變換器的工作原理。在這種情況下，S2可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是S1只能工作在硬開關(guān)狀態(tài)。

1)階段1[to~t1]S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流線性增加。在t1時刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2)階段2[tl～t2] S1關(guān)斷后，電感電流對S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，對S2的結(jié)電容進(jìn)行放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
3)階段3[t2～t3] 當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，這也就為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4)階段4[t3~t4] t3時刻S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。電感L上的電流又流過S2。L上承受輸出電壓，由于該結(jié)構(gòu)的Buck-Boost變換器的輸出電壓為負(fù)，所以電感L上的電流線性減小，直到S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5)階段5[t4-ts] 此時電感L上的電流方向仍然為正，所以，該電流只能轉(zhuǎn)移到S2的寄生二極管上，而無法對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。因此，S1是工作在硬開關(guān)狀態(tài)的。

接著S1導(dǎo)通，進(jìn)入下一個周期。從以上的分析可以看到，S2實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，但是S1并沒有實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。其原因是S2關(guān)斷后，電感上的電流方向是正的，無法對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。但是，如果將L設(shè)計的足夠小，讓電感電流在S2關(guān)斷時為負(fù)，如圖4所示，就可以對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電而實(shí)現(xiàn)S1的軟開關(guān)了。

在這種情況下，一個周期可以分為6個階段，各個階段的等效電路如圖5所示。其工作原理描述如下。
1)階段1[to~t1] S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流正向線性增加，從負(fù)值變?yōu)檎?。在t1．時刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2)階段2[t1~t2]S1關(guān)斷后，電感電流為正，對S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，對S2的結(jié)電容放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
3)階段3[t2～t3] 當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，這就為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4)階段4[t3～t4] t3時刻S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。電感L上的電流又流過S2。L上承受輸出電壓，由于該結(jié)構(gòu)的Buck―Boost變換器的輸出電壓為負(fù)，所以電感L上的電流線性減小，直到變?yōu)樨?fù)值，然后S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5)階段5[t4～t3] 此時電感L上的電流方向為負(fù)，正好可以對S1的結(jié)電容進(jìn)行放電，對S2的結(jié)電容進(jìn)行充電。S1的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
6)階段6[t5～t6] 當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管就導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。

接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通，進(jìn)人下一個周期?？梢钥吹?，在這種方案下，兩個開關(guān)S1和S2都可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

2 軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計
以上用同步整流加電感電流反向的辦法來實(shí)現(xiàn)升降壓變換器的軟開關(guān)，其中兩個開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的難易程度并不相同。電感L上電流的峰峰值可以表示為

式中：D為占空比；
T為開關(guān)周期。
電感L上電流的平均值可以表示為

式中：Io為輸出電流。
所以電感上電流的最大值和最小值可以表示為

將式(1)和式(2)代入式(3)和式(4)可得

從上面的原理分析中可以看到S1的軟開關(guān)條件是由1min對S2的結(jié)電容充電，對S1的結(jié)電容放電來創(chuàng)造的；而 S2的軟開關(guān)條件是由Imas對S1的結(jié)電容充電，對S2的結(jié)電容放電來創(chuàng)造的。通常滿載情況下│Imax》│Imin│。所以S1和S2的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)難易程度也不同，S1要比S2難得多。這里將S1稱為弱管，S2稱為強(qiáng)管。

強(qiáng)管S2的軟開關(guān)極限條件為L和S1的結(jié)電容C1和S2的結(jié)電容G2諧振，能讓C2上電壓諧振到零的條件，可表示為

但在實(shí)際中式(8)非常容易滿足，而死區(qū)時間也不可能非常大，因此，可以近似認(rèn)為在死區(qū)時間內(nèi)電感L上的電流保持不變，即為一個恒流源對對S2的結(jié)電容充電，對S1的結(jié)電容放電。在這種情況下的ZVS條件稱為寬裕條件，表達(dá)式為

式中：tdead2為S2開通前的死區(qū)時間。

同理，弱管S1的軟開關(guān)寬裕條件為

在實(shí)際電路的設(shè)計中，強(qiáng)管的軟開關(guān)非常容易實(shí)現(xiàn)，所以關(guān)鍵是設(shè)計弱管的軟開關(guān)條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時間，然后根據(jù)式(9)推算出電感量L。在能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的前提下，L不宜太小，以免造成開關(guān)管上過大的電流值，從而使得開關(guān)的導(dǎo)通損耗過火。

3 實(shí)驗結(jié)果

一個開關(guān)頻率為200KHz，功率為60W的電感電流反向的同步升降壓變換器的樣機(jī)，進(jìn)一步驗證了上述軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法的正確性。

該變換器的主要參數(shù)和元器件規(guī)格如下：
輸入電壓Vin 28V；
輸出電壓V。 -20V；
輸出電流，I。 O～-3A；
工作頻率f 200 kHz；
主開關(guān)S1，S2 IRFZ44；
電感L 8μH。

圖6(a)、(b)、(c)是滿載(-3A)時的實(shí)驗波形從圖6(a)可以看到電感L上的電流在DT或者(1一D)T時段里都會反向，也就是創(chuàng)造了S1軟開關(guān)的條件。從圖6(b)、(c)可以看到兩個開關(guān)S1和S2都實(shí)現(xiàn)了ZVS。但是從S1及S1漏源電壓的下降斜率來看S1比S2的ZVS條什要差，這就是強(qiáng)管和弱管的差異。

圖7給出了該變換器在不同負(fù)載電流下的轉(zhuǎn)換效率。最高效率達(dá)到了94. 8％，滿載效率為94．2％。

4 結(jié)語
本文研究了一種軟開關(guān)司步升降壓變換器。Potentia Semi數(shù)字電源管理控制器適用于復(fù)雜電源系統(tǒng)該方案下，兩個開關(guān)根據(jù)軟開關(guān)條件的不同，分為強(qiáng)管和弱管。設(shè)計中要根據(jù)弱管的臨界軟開關(guān)條件來決定電感L的大?。驗閷?shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，開關(guān)頻率可以設(shè)計得比較高。另外電感量需要設(shè)計得很小，所需的電感體積也可以比較小(通?？梢杂肐型的磁芯)。因此，這種方案適合用于高功率密度、較低輸出電壓的場合。