新型ZVS型Buck的ZVS QRC的设计

公式 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。这里提出一种改进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。

图1 ZVS-Buck-QRC电路结构

Uin为直流输入电源；开关管V1、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V1为开通状态即将关断时，并联电容Cr可有效抑制V1两端电压上升速度，降低关断损耗，抑制电压尖峰。

2.2软开关工作条件

V1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iLr还未衰减到零

的时段内向V1发送开通信号。V1从上个周期关断到这个周期开通的时间间隔（即关断时间）可表示为：

ToffTg(1D) （1）

式中：D为V1门级脉冲的占空比。

谐振周期Tr2CrLr。即要实现V1的ZVS开启，需满足：

TrToffTr2 （2）

2.3、电路参数设计

Uin为2.9~3.1V，额定3V；输出直流电压U0为0.4~0.45V；

额定功率P0=280W；开关频率fg=500kHz。

为减小输出电流、电压纹波，选取Lf=400H，Cf=500H。

fgfgfr通常取0.15~0.65即可，为计算方便，取fr=0.2。

则谐振角频率为：

12fr10fgLrCr=1.57x107rad·s-1 （3）

谐振时Lr和Cr储能相等，即

LriLr22CirCr22，由uCr2Uin可得LrUin2U0CrI0I0=450 。 用此式除以式（3）可得Lr=131.43H ，仿真中取150H；

Cr= 4.51nF，仿真中取4.6nF。

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%。

图2a与2b

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 、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：

① 电路已工作稳态；

② Cf足够大。即一个开关周期Tg内认为输出电压恒为U0；

③ Lr与Lf相比很小，Cr与Cc相比很小；

④ 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V1关断时刻为分析起始点模态0。

模态1（t0~t1） t0时刻前V1导通，V2和VD关断，电源通过Lr,Lf向负载供电。t0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。

diLfdtU0LfuCrUinUCc,

。由于uCr不能突变，uCr从零开始上升，上升至UinUCc时， Lr两

端电压uLr下降到-UCc，VD2导通。此时uCr被在UinUCc，模态1结束。

模态2（t1~t2） t1时刻VD2导通，uLrUCc，iLr线性下降。直到t2时刻iLr下降到零。

UILdiLriLrLrCcUCcUCc0rdtLr,可得t2t1，又由于iLrI0，代入上式可得t2t1。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 （t2~t3） t2时刻，iLr过零。由于在模态2中已向V2发送触发信号，V2在t2时

UdiLrCcLr，到t3时刻iLr达到反向峰值Imin。刻正式导通，Lr仍承受-UCc，iLr反向线性增大，dt

模态4 （t3~t4） 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

CuLrIminrCr2，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2uCr

22就可以降到零。设t4时刻Cr中储存的能量完全释放，uCr降到零。

CuLrIminrCr2可知此时电感电流还没有过模态5 （t4~t5） t4时刻uCr降到零，由于222零，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，在此模态内向

diLrUinLr。t5时刻iLr可继续正V1发送开通信号可实现ZVS开通。uLr恒为Uin，iLr线性下降，dt向增大。

模态6 （t5~t6） t5时刻，V1导通，iLr线性上升，t6时刻iLr=iLf，VD关断。

diLrUinU0dtLrLf模态7 （t6~t7） 电源通过Lr、Lf向R供电，iLr线性上升，

。

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V1的换流。即V1实际的导通时刻与触发脉冲发送时刻不同，存在一个占空比损失的现象。由上述分析可得电路在一个周期的工作波形如图4所示。由式（2）与模态1可知死区时间大于Tr的一半，即

TDTr2。

图4 流程分析图

若希望V1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V1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

DUinU0。

4仿真及实验

4.1 电路参数设计及谐振回路参数选择

U0P0Uin=3V，V1承受电压应力不高于900V。=0.425V，=30W，开关频率fg=500kHz。Lf=400H,

Cf=500F。负载电流I00.227A（80%P0）。TDDU0Uin0.14。为尽量提高D

可调范围，死区不能太宽，TD7%Ts；由

Tr2可得Tr1.4s，

CuLrIminuCrrCrr=4.49x106rad·s-1.由22可得

22LrIminCr2；由uCcUinUCc可知，为控制V1电压应力不超过900V，UCc=1.14V；同时

I0UCcI0Lrt2t1可知UCc与I0Lr成正比，将UCc=1.14V，

=0.227A带入可得Lr22H.代入

r1CrLr可得Cr2.25F（实际计算值为

0.00225F，仿真者请慎重仿真）。

4.2 仿真结果

图5a与5b

图5为提出变换器仿真与负载电流波形。由图5a可见，uV1被成功在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，g可取很高，这里开关频率fg=500kHz，图5b为I0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，小，有效降低了装置的整体体积。

Lff和

Cf取值可以很

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。

参考文献

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