《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型ZCS-PWM Buck變換器的磁集成研究
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第12期
羅 偉1，陳正一1，賈 巍1，劉 曄2，奚恩亮3
1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105；2.吉林省工程技師學(xué)院，吉林 白山134300；3.五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司，遼寧 營(yíng)口115005
摘要： 研究新型ZCS-PWM Buck變換器，通過電感和電容的諧振使流過功率開關(guān)管的電流呈正弦波形，為開關(guān)管提供了零電流開關(guān)條件。提出將分立的諧振電感和濾波電感集成在同一個(gè)平面磁芯上。理論分析和仿真結(jié)果證明了該方案的正確性和可行性。
中圖分類號(hào)： TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2010)12-0072-03
Research of new ZCS-PWM Buck integrated magnetic converter
LUO Wei1，CHEN Zheng Yi1，JIA Wei1，LIU Ye2，XI En Liang3
1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105，China；2.Jilin Province Engineering Technicians College,Baishan 134300，China；3.Minmetals Yingkou Medium Plate Co. Ltd,Yingkou 115005，China
Abstract： In this paper, a new ZCS―PWM Buck converter was presented. The resonant inductor and capacitor make the power switch current was sine wave, to provide a zero-current switching condition for power switch. In this paper, the discrete resonant inductor and filter inductor were integrated on the same plane core. Theoretical analysis and simulation results prove the correctness and feasibility of the program.
Key words : resonance；integrated magnetic；coupling coefficient

    諧振軟性開關(guān)由美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子中心李澤元教授首先提出并應(yīng)用于DC/DC變換器[1]。而軟開關(guān)變換器的實(shí)現(xiàn)卻是慣用的分立元件，由此引發(fā)了很多問題：(1)分立元件存在寄生參數(shù)可直接影響變換器的高頻性能；(2)對(duì)一個(gè)分立軟開關(guān)變換器的不同元件類型、尺寸、大小等因數(shù)的考慮及元件間的相互連接與連接的空隙等問題，都將導(dǎo)致空間利用率的降低。因此，為了提高軟開關(guān)變換器的高頻特性，并且保證變換器的低造型、高效率和低成本，本文提出采用平面磁集成技術(shù)對(duì)軟開關(guān)變換器中的磁性元件進(jìn)行平面磁集成。仿真結(jié)果表明本文提出的基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck變換器具有可行性和優(yōu)越性。
1 變換器工作原理
    基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck變換器電路如圖1所示，其中Lr為諧振電感、Lf為濾波電感、Cr為諧振電容、Cf為濾波電容。假設(shè)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件。則Lf≥Lr，在一個(gè)開關(guān)周期中Lf足夠大，濾波電容Cf也足夠大，其電流If保持不變，可近似看作為輸出電流I0。該變換器在一個(gè)周期內(nèi)的電路工作波形如圖2所示，正向耦合時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)變換器可以分為以下6種工作模式[2]。


1.5 工作模式5
    在t5時(shí)刻，vGr衰減到0 V。諧振電容Cr在輸出電流I0的作用下線性放電。
1.6 工作模式6
    在vGr衰減到零之后續(xù)流二極管D1續(xù)流，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)關(guān)斷Q2為零電流關(guān)斷。在t6時(shí)刻零電流開通Q1，開始下一周期。
    反向耦合的工作原理和正向耦合的工作原理類似，只要將上述各開關(guān)模態(tài)表達(dá)式中的M替換為-M即可。
2 集成磁件設(shè)計(jì)
2.1 松、緊耦合方式的選擇
    電感的耦合可以分為緊耦合和松耦合兩種方式。緊耦合方式集成時(shí)，中柱開氣隙，兩側(cè)柱無氣隙，諧振電感和濾波電感的平面繞組共同繞在中柱上，以使磁通緊密地耦合。另外，采用這種磁件結(jié)構(gòu)時(shí)，由于兩側(cè)柱無氣隙，一方面其機(jī)械結(jié)構(gòu)特性比較穩(wěn)定，另一方面散在磁件外部的漏磁通較少、電磁干擾小。而松耦合方式集成時(shí)，磁柱都要開氣隙，造成機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，其次平面繞組分別繞在兩個(gè)柱住上，增大了磁性器件的體積。比較松、緊耦合兩種方式，本文中諧振電感和濾波電感都采用緊耦合方式集成。

    由圖可見，正向耦合時(shí)磁通比反向耦合的值大，容易引起鐵芯的飽和。因此，諧振電感和濾波電感的集成方式選擇反向耦合，利用磁芯的中柱開氣隙，以防止鐵芯飽和。

    式中Ts為開關(guān)周期。
    在上面討論過的6個(gè)周期中，vD1的值如表1所示。


    諧振周期Tr與耦合系數(shù)k、輸出電壓vo與耦合系數(shù)k的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

    在圖4中諧振電感中電流的周期隨著耦合系數(shù)的增大而減小。在圖5中輸出電壓隨耦合系數(shù)的增大而減小。仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，證明該集成方法的可行性和優(yōu)越性。
    新型ZCS―PWM Buck變換器在滿足主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷的條件下，將諧振電感和濾波電感集成在同一個(gè)平面磁芯上，不僅能夠減小軟開關(guān)變換器的體積、重量，提高其功率密度，而且能實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的“短、小、輕、薄”。通過合理的設(shè)計(jì)還可以降低器件的損耗和電壓、電流應(yīng)力，減小開關(guān)電源的輸出電流和電壓紋波，改善電源的動(dòng)態(tài)性能，從而為實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)集成提供技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1] 阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.
[2] 蔡宣三，龔邵文.高頻功率電子學(xué)(第1版)[M].北京：科學(xué)出版社,1993.
[3] 楊玉崗.現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)[M].北京：科技出版社，2003.
[4] 王聰.軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

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