零电压谐振转换BUCK变换器的仿真分析

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1、第30卷第2期南京航空航天大学学报Vol.30No.21998年4月JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsApr.1998
零电压谐振转换BUCK变换器的仿真分析甘鸿坚严仰光(南京航空航天大学自动控制系南京,210016)摘要对采用零电压谐振转换技术的BUCK变换器进行了分析,为验证所作的分析,设计并仿真了一个这样的变换器。结果表明,此变换器很好地实现了功率管的零电压开关,从而减少了开关损耗,故适宜低压小功率输出时高频工作;另外,与新近的零电压转换(ZVT)技术比较,它

2、无需辅助开关管即可实现主管的零电压开关,变换器简单经济。关键词:变换器;仿真;零电压谐振转换;零电压开关中图分类号:TM46引言[1]BUCK变换器实现零电压开关(ZVS)的方法很多,如零电压准谐振变换器(QRC)及[2]零电压多谐振变换器(MRC)技术。但使用这些技术的BUCK变换器工作于变频调节状态,不仅控制电路复杂,而且输出滤波器也不易于优化设计,同时,主功率开关管的电压应力高,其ZVS的实现还与负载及输入电压的范围有关。[3]零电压转换脉冲宽度调制(ZVT-PWM)技术应用于变换器则基本消除了QRC及MRC的上述不足。但是,为

3、了实现主功率开关管的ZVT,需要加入一个辅助功率开关管、谐振电感、谐振电容及快恢复二极管,电路较为复杂。[4]零电压谐振转换(ZVRT)技术应用于BUCK变换器则无须辅助网络,仅通过对主功率开关管及续流功率开关管的开关时序控制,即可实现两个功率开关管的ZVS运行。1ZVRTBUCK变换器分析ZVRTBUCK变换器的主电路如图1示。其中,主管VT1为PWM工作,VT2为续流管,采用反向导通的控制方式;C1及C2分别为VT1及VT2的等效输出电容;VD1及VD2为快恢复二极管。把变换器的工作分为t0～t4几个阶段,则在t0～t4的各段时间

4、,变换器的等效电路如图
收稿日期:1997-07-03;修改稿收到日期:1997-09-08第一作者甘鸿坚男,博士生,1969年7月生。第2期甘鸿坚等:零电压谐振转换BUCK变换器的仿真分析165图1ZVRT-BUCK变换器主电路2所示。在此变换器中,实现功率管ZVS运行的关键是IL实现反向。变换器的主要工作波形如图3所示,其中,Ugs1及Ugs2分别为VT1和VT2的控制电压波形,Uds1为VT1的漏源电压波形。假定:(1)输出滤波电容Co足够大,Uo稳定;(2)主管及续流管的输出电容C1和C2在谐振瞬态中近似不变;(3)主管及续流

5、管的导通电阻很小,近似为零;(4)VD1及VD2为理想二极管。在此假定条件下,对变换器的各工作阶段分析如下:(1)t0～t1:设主管导通比为D,开关周期为T,则电感L上的电流线性增加
IL=(Ui-Uo)*DT/L=IL1-IL0(2)t1～t2:t1时刻,即主管关段时刻,IL达到IL1值,C1上的电压为0,而图2ZVRTBUCK各阶段等效电路C2上的电压已为Ui,故此刻的瞬态电路如图2。直至t2时刻,C1的电压充至Ui,而C2电压被降至0V。在此阶段,VD2和VT2不导通。计算瞬态电路,有Ui-UoIL=*sint+IL1*cos

6、tZ其中,=1/2LC,Z=L。故Uds2=UC=L*dIL/dt+Uo2=(Ui-Uo)*cost-IL1*Z*sint+Uo在t2时刻,Uds2降为0,而Uds1升至Ui。(3)t2～t3:t2时刻,IL通过VD2续流。为使VD2的时间尽量短,应及时触发VT2导通续流,此时VT2为零电压开通。在t2～t3阶段,IL线性下降,在t′2时刻IL降为0。随后VT2变为正向道通,Uo使IL反向线性增加,至t3时刻,IL达到IL3(负值)。166南京航空航天大学学报第30卷(4)t3～t0:在t3时刻,续流管VT2关断,反向的IL

7、一方面对C2充电,同时对C1抽流。由Uo图2(d)可得:IL=-*sint+IL3*costZUds2=Uo*(1-cost)-IL3*sint在下一周期的t0时刻,Uds2=Ui,而Uds1=0,VD1导通,把L中的能量反馈给电源,此时,可以触发VT1,在IL到达0时,VT1即零电流零电压开通。由上面的分析可见,要形成VT1的ZVS通断,必须保证IL能够反向,且L中的能量应足以对C1抽流,同时把C2充电至Ui。在本变换器中,由于电感L上的电流纹图3ZVRTBUCK变换器的主要波形波大,故由此引起的导通损耗较大。2设计与仿真2

8、.1设计考虑设滤波电感L上的电流峰峰值为ILP,其平均值为IL0,取K=ILP/IL0,则ILP=KIL0=(Ui-Uo)DT/L对于此BUCK变换器,要实现ZVS,应有IL0=Io(max)=Uo/R(min)所以有: