Buck電路的軟開關(guān)設(shè)計(jì)和仿真本科

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Buck電路的軟開關(guān)設(shè)計(jì)和仿真摘 要在當(dāng)今節(jié)能型社會(huì)中，如何提高電源的效率成為電源技術(shù)研究的重點(diǎn)。早期的開關(guān)電源均采用硬開關(guān)技術(shù)，在開通或關(guān)斷過(guò)程中伴隨著較大的損耗，并且開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越大。而高頻化是減小開關(guān)電源體積的重要途徑，但是硬開關(guān)電源中高頻化必然帶來(lái)電源效率的降低，因此硬開關(guān)電源不能適應(yīng)高頻化的發(fā)展趨勢(shì)。這樣采用軟開關(guān)技術(shù)的電源應(yīng)運(yùn)而生，它是解決高頻化和提高電源效率二者矛盾的有效手段。本文對(duì)采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET作開關(guān)器件的Buck電路進(jìn)行了軟開關(guān)的設(shè)計(jì)和仿真。用到的方案是準(zhǔn)諧振充放電模式，使MOSFET漏源極兩端的電壓能在柵極觸發(fā)脈沖到

2、來(lái)前變?yōu)榱悖归_關(guān)管能進(jìn)行零電壓開通。這樣就能有效地實(shí)現(xiàn)Buck電路的軟開關(guān)，提高電路的效率。最后利用Saber仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的軟開關(guān)控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果與預(yù)期相符合。在得到此方案的順利運(yùn)行后，考慮到輸出支路電感電流存在反向的問(wèn)題，使得輸出電流紋波較大，又運(yùn)用疊加原理的思路，設(shè)計(jì)了另一方案，從而有效地避免了輸出電流反向的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：降壓變換器，軟開關(guān)，Saber仿真ABSTRACTIn todays energy-saving type society, how to improve the efficiency of power supply becomes an importa

3、nt aspect of power technology research. In early power supply research times hard switching technology was adopted. The switching-on or switching-off process accompanied with great loss, and the higher switching the frequency is, the greater the switching loss is. The high operating frequency is an

4、important way to reduce the volume, so the hard switching technology doesnt suit it. Then the soft switching technology appears. It is a good method to solve the high operating frequency and improving the efficiency problem.This article presents a soft switching method of the Buck converter which us

5、es the N channel enhancement type MOSFET as the switch and the simulation. The design is quasi resonant charging and discharging mode which makes the D-S voltage become zero before the gate trigger pulse come, so the MOSFET can operate in a zero voltage turn-on mode. In this way, it can effectively

6、realize the soft switching of Buck converter and improve the efficiency of the circuit. Finally I use the saber software to do the simulation and receive the expected result. After that, considering the reverse slip output inductor current problem which makes the output current ripple large, I prese

7、nt another method which can avoid the problem. Key words：Buck converter, soft switching, saber simulation目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 研究背景11.2 研究的目的及意義11.3 研究的主要內(nèi)容22 Buck電路軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)及原理分析32.1 Buck電路軟開關(guān)設(shè)計(jì)方案32.2 原理分析52.3 參數(shù)計(jì)算與設(shè)置93 Saber仿真驗(yàn)證103.1 Saber仿真軟件的組成103.2 Saber仿真軟件的特征103.3 Saber的分析功能103.4 Buck電路軟開關(guān)仿

8、真驗(yàn)證114 Buck電路軟開關(guān)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案174.1 改進(jìn)型電路原理分析244.2 改進(jìn)型電路參數(shù)計(jì)算與設(shè)置245 改進(jìn)型電路Saber仿真驗(yàn)證26結(jié)論34致謝35參考文獻(xiàn)361 緒論1.1 研究背景現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是集成化，輕量化和小型化，同時(shí)對(duì)裝置的電磁兼容性和效率有更高要求1。一般情況下，濾波電感、變壓器和電容在裝置中占有很大比例。通過(guò)將開關(guān)頻率提高的途徑可以減少濾波器的參數(shù)，使變壓器小型化，從而有效地降低裝置的重量和體積，所以將電路高頻化是使得裝置小型化、輕量化的最直接途徑2。但隨之而產(chǎn)生的是開關(guān)損耗隨之增加，電路效率大幅下降，增大電磁干擾，所以簡(jiǎn)單地提高開關(guān)頻率是行不通

9、的。而軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)將會(huì)解決這一問(wèn)題，它能夠解決開關(guān)損耗和噪聲的問(wèn)題，大幅提高開關(guān)頻率。自從軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)之后，經(jīng)歷了發(fā)展期和完善期，軟開關(guān)電路也是層出不窮，迄今為止，各式各樣的軟開關(guān)拓?fù)淙圆粩嘤楷F(xiàn)3。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多軟開關(guān)的方法，比如準(zhǔn)諧振DC/DC變換器，多諧振DC/DC變換器，ZCS/ZVS PWM DC/DC變換器，ZCT/ZVT PWM DC/DC變換器等，這些技術(shù)都能在不降低效率的情況下提高變換器的工作頻率。這些軟開關(guān)電路，一般是在常規(guī)電路上增加諧振回路，利用諧振，使開關(guān)器件兩端的電壓或流過(guò)的電流呈準(zhǔn)正弦波形，這樣可以為開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通或零電流關(guān)斷創(chuàng)造條件，從而將軟開關(guān)實(shí)

10、現(xiàn)，減小開關(guān)管的損耗與噪音。1.2 研究的目的及意義硬開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于早期的開關(guān)電路中。較大的損耗會(huì)出現(xiàn)在開通或關(guān)斷過(guò)程中。硬開關(guān)技術(shù)有以下幾個(gè)主要問(wèn)題3：開關(guān)損耗問(wèn)題：在開關(guān)管開通關(guān)斷過(guò)程出現(xiàn)電流和電壓重疊，造成開關(guān)損耗；感性關(guān)斷問(wèn)題：嚴(yán)重的電壓尖峰會(huì)出現(xiàn)在電路中的寄生電感在高頻工作時(shí)；容性開通問(wèn)題：嚴(yán)重的浪涌電流會(huì)出現(xiàn)在電路中的寄生電容在高頻工作時(shí)；二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題；二極管存在反向恢復(fù)期，立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)管，則易造成瞬時(shí)短路。所以，在當(dāng)今節(jié)能型社會(huì)中，如何提高電源的效率成為電源技術(shù)研究的重點(diǎn)。要使得芯片更加集成化，就必須使得其更加高頻化，而如果高頻化的過(guò)程中，開關(guān)損耗以倍數(shù)同時(shí)增大

11、的話，就會(huì)讓其效率顯得非常不合需求。開關(guān)器件在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般需要較大容量并增加復(fù)雜的吸收電路4，加之硬開關(guān)電源中高頻化必然帶來(lái)電源效率的降低，因此硬開關(guān)電源不能適應(yīng)高頻化的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)是輕小化，于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。而本課題通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，能夠有效減小開關(guān)損耗問(wèn)題，從而提高開關(guān)頻率。在理論上的成功實(shí)現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的加工，便能得到在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，為國(guó)家的產(chǎn)業(yè)節(jié)能，為社會(huì)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。1.3 研究的主要內(nèi)容Buck電路又叫降壓斬波器，降壓變換器輸入電壓Uin總是大于輸出電壓平均值Uo。Buck電路有兩種工作模式：連續(xù)導(dǎo)電模式：穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)

12、iL一直大于0；斷續(xù)導(dǎo)電模式：穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)iL有一段時(shí)間為0。通常Buck電路工作于哪種模式取決于開關(guān)頻率f、濾波電感的值L。開關(guān)頻率高，可以用更小的電感來(lái)濾除高次諧波，因此面積可以做的很小。比如手機(jī)的Buck電路，開關(guān)頻率都上M。本文實(shí)現(xiàn)了Buck電路的一種軟開關(guān)，利用電感電流反向的這一技巧，實(shí)現(xiàn)了Buck電路的軟開關(guān)，通過(guò)一個(gè)48V輸入，24V輸出，開關(guān)周期為5us的電路進(jìn)行了仿真，在整理數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)總結(jié)后，驗(yàn)證了電路的正確性。在考慮到電感電流反向造成輸出紋波較大的情況后，運(yùn)用疊加原理，設(shè)計(jì)另一電路，達(dá)到預(yù)期效果，成功避免了電感電流反向?qū)敵鲈斐傻牟焕绊?。而?shí)現(xiàn)軟開關(guān)的

13、方法有很多種，這只是其中比較基礎(chǔ)的一種，在以后的工作中也許會(huì)遇到更加復(fù)雜的軟開關(guān)形式，通過(guò)本設(shè)計(jì)可以鋪平道路。2 Buck電路軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)及原理分析2.1 Buck電路軟開關(guān)設(shè)計(jì)方案本課題首先設(shè)計(jì)的Buck電路軟開關(guān)方案如圖2.1所示。圖2.1 Buck電路軟開關(guān)電路圖Buck電路又叫降壓斬波電路，降壓式變換電路。是一種DC/DC變流電路，可以根據(jù)用戶的需求，輸出對(duì)應(yīng)的電壓，提供負(fù)載所需。主要能運(yùn)用于電車、地鐵、電動(dòng)汽車、火車、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、照明等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的硬開關(guān)Buck電路，存在著開關(guān)損耗大，開關(guān)噪聲大，工作效率低的問(wèn)題。這將直接影響到其集成化，輕型化的要求。為了方便對(duì)此問(wèn)題的了解

14、，首先給出硬開關(guān)Buck電路仿真電路圖。圖2.2 硬開關(guān)Buck電路仿真電路圖圖2.2中所示為Buck電路的硬開關(guān)仿真電路圖，即強(qiáng)制切斷功率流的工作模式。圖中元件的參數(shù)為：輸入電壓V=12V，開關(guān)周期T=20us（即開關(guān)頻率f=50kHz），占空比D=0.42（因?yàn)橄胍敵龅碾妷簽?V），電感L=1.6mH，電感值較大，電路能工作在CCM（電感電流連續(xù)的模式下），濾波電容C=470uF，輸出負(fù)載R=0.83。如果電路能工作在理想狀態(tài)下（即完全無(wú)開關(guān)損耗的狀態(tài)下），輸出電壓Uo應(yīng)該為120.42=5.04V，負(fù)載電流應(yīng)該在5.04/0.83=6.07A左右，而實(shí)際仿真分析得到的輸出波形如下：圖2

15、.3 硬開關(guān)Buck電路仿真波形圖由圖2.3可以清楚地看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓只為4V， 輸出電流Io=4.5A左右，均跟理論值存在較大差距，究其原因，可以看一下開關(guān)管IGBT的工作情況，如下兩圖所示。圖2.4 經(jīng)過(guò)開關(guān)管控制后的輸入電壓圖圖2.5 經(jīng)過(guò)開關(guān)管控制后的輸入電壓詳圖由圖2.4和圖2.5可以清楚地看出，經(jīng)過(guò)IGBT控制后的輸入電壓產(chǎn)生了小于零的情況，這在正常情況下是不應(yīng)該出現(xiàn)的，從而導(dǎo)致電壓峰值小于12V，可以說(shuō)，由于IGBT的開通壓降引起的開關(guān)損耗引起了輸入達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致輸出電壓無(wú)法滿足需求。顯而易見(jiàn)，這就是硬開關(guān)電路所存在的問(wèn)題。使得電路的工作效率僅為44.5/(5.046

16、.07)100%=58.8%。從上述的實(shí)驗(yàn)仿真分析不難看出，開關(guān)管IGBT的損耗已經(jīng)嚴(yán)重影響到電路的工作的正常工作效率，不僅造成電路的工作效率低，存在開關(guān)噪聲等一系列問(wèn)題，更為重要的是，開關(guān)損耗使得能耗更加增大，增加了更多的安全隱患，在開關(guān)上消耗的能量積聚到一定的程度，發(fā)熱累積到一定的程度，將會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)計(jì)的后果，甚至可能會(huì)威脅到人身財(cái)產(chǎn)安全。綜上所述，軟開關(guān)技術(shù)勢(shì)在必行，于是設(shè)計(jì)了如圖2.1所示的Buck軟開關(guān)電路，下面就對(duì)Buck軟開關(guān)電路的原理進(jìn)行詳細(xì)分析。2.2 原理分析鑒于此，如圖2.1所示，設(shè)計(jì)了Buck電路的軟開關(guān)電路圖，主開關(guān)管VS1、輔助管VS2，這個(gè)兩個(gè)開關(guān)管都是N溝道增強(qiáng)

17、型的MOSFET，工作特點(diǎn)時(shí)，只有當(dāng)Vgs大于閾值電壓才能導(dǎo)通，導(dǎo)通后電流方向?yàn)閺腄極到S極、電感L和電容Co共同組成零電壓開通的Buck變換器，Ro為負(fù)載電阻，一般不屬于Buck電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此電路與一般的Buck電路不同，一般的Buck電路中除了有一個(gè)開關(guān)管外，還有一個(gè)二極管，而此電路中原本那個(gè)位置的二極管變成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)管，為什么要這樣做呢？這是因?yàn)橛肕OSFET來(lái)替代二極管，能使得電路獲得比較高的效率，同時(shí)兩個(gè)開關(guān)管互為補(bǔ)充。VS1和VS2兩端分別反并聯(lián)二極管D1，D2，為電感電流的正向及反向流通提供回路，兩個(gè)開關(guān)管上并聯(lián)的電容C1，C2用來(lái)與電感L組成準(zhǔn)諧振回

18、路進(jìn)行充放電，電容Co是濾波電容，取值較大即可，只起到濾波電容的作用。VS1和VS2分別由觸發(fā)脈沖ug1和ug2互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，ug1，ug2分別為VS1，VS2的柵源極電壓，并且ug1和ug2之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，同時(shí)VS1和 VS2兩個(gè)開關(guān)管的軟開關(guān)也必須在該死區(qū)內(nèi)完成。這是一種最簡(jiǎn)易的Buck電路軟開關(guān)電路，與硬開關(guān)的Buck電路相比，此電路與之的區(qū)別在于，在兩個(gè)開關(guān)管漏源極兩端并聯(lián)有二極管和電容器，硬開關(guān)的Buck電路最大的問(wèn)題在于開通時(shí)，開關(guān)管上升的電流和下降的電壓出現(xiàn)重疊；關(guān)斷時(shí)，上升的電壓和下降的電流出現(xiàn)重疊。開關(guān)損耗正是來(lái)源于電壓、電流波形的交疊，并且該損耗隨開關(guān)頻率的提高而

19、以倍數(shù)增加。采用此種設(shè)計(jì)的電路之后，通過(guò)諧振充放電，可以使得開關(guān)管在每一個(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)之前電壓放電到零，具體工作情況的分析如下。圖2.6 主要工作波形開關(guān)電路按周期重復(fù)的工作，分析起點(diǎn)的選擇很重要，選擇合適的起點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程5。在分析此零電壓導(dǎo)通準(zhǔn)諧振電路時(shí)，選擇開關(guān)管VS1開通時(shí)刻為分析的起點(diǎn)最為合適6，下面結(jié)合圖2.6逐段分析電路的工作過(guò)程。 一個(gè)工作周期分為6個(gè)階段，其工作過(guò)程如下：（1）第1階段t0-t1 VS1導(dǎo)通，此時(shí)電路由輸入電壓Vin，開關(guān)管VS1，電感L，濾波電容Co和負(fù)載Ro組成，電感上在輸入電壓到來(lái)后，進(jìn)入充電狀態(tài)，VS1兩端電壓為零，VS2兩端電壓為最大，電感電流

20、iL線性增加，由負(fù)值變?yōu)檎担瑸槭裁词菑呢?fù)值變成正值，看過(guò)后面的分析你就會(huì)明白，在t1時(shí)刻，VS1關(guān)斷，電感電流到達(dá)一個(gè)最大值，該階段結(jié)束，由此在電感上就儲(chǔ)蓄有一定的能量，表現(xiàn)在電感電流較大上。（2）第2階段t1-t2 VS1關(guān)斷后，此時(shí)電路由輸入電壓Vin，結(jié)電容C1，結(jié)電容C2，電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro組成。電感電流iL為正且為最大，VS2的結(jié)電容C2通過(guò)電感L放電，這正好符合了電流本來(lái)流動(dòng)的方向，因此電感電流iL會(huì)線性下降，由于是VS2的結(jié)電容C2放電，電感電流減小，同時(shí)由于電感電流的存在，VS1的結(jié)電容C1被充電，結(jié)電容C1兩端的電壓線性上升，VS2的漏源電壓近似線性下降，直到V

21、S2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。在這一過(guò)程中，L和C1，C2形成諧振回路，C2放電，C1充電，為VS2的零電壓開通提供條件，這時(shí)必須要滿足的條件的充放電的時(shí)間一定要合理，即一定要滿足在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成C2兩端電壓下降到零的要求，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)VS2的軟開關(guān)。（3）第3階段t2-t3 此時(shí)電路由電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro，VS2的反并二極管D2構(gòu)成，D2為VS2的反并聯(lián)二極管。當(dāng)VS2漏源電壓下降至零后，自然而然VS2反并二極管D2導(dǎo)通，電流換流到D2上，電容C2被短路，將VS2漏源電壓鉗位在零電壓狀態(tài)，為VS2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件，在這里要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，必須滿足的條件是能在短時(shí)間內(nèi)，即在死

22、區(qū)時(shí)間內(nèi)讓VS2的兩端電壓到零，如果在觸發(fā)脈沖到來(lái)的時(shí)候VS2兩端的電壓還不能到零的話，就不能實(shí)現(xiàn)VS2的軟開關(guān)。（4）第4階段t3-t4 此時(shí)電路由電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro，開關(guān)管VS2組成。當(dāng)VS2的門極變?yōu)楦唠娖郊从|發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，VS2能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，在本設(shè)計(jì)中，均是實(shí)現(xiàn)零電壓開通，因?yàn)橐话愕能涢_關(guān)分為兩種，零電壓開通型和零電流關(guān)斷型，要同時(shí)滿足這兩種類型的電路還有待進(jìn)一步地研究發(fā)現(xiàn)。iL流過(guò)VS2，此時(shí)輸入電壓端與工作電路隔離開，已經(jīng)不再起任何作用了，電感電流iL繼續(xù)線性減小，直到變?yōu)樨?fù)值，到這里就必須要解釋一下為什么要使得電感電流到達(dá)負(fù)值，而為什么電感電流又能到達(dá)負(fù)值，因?yàn)?/p>

23、在一般的正常情況下，Buck電路只能工作在CCM（電感電流連續(xù)，每個(gè)周期內(nèi)不到零點(diǎn)）和DCM（電感電流斷續(xù)）的兩種模式下，為什么在這個(gè)電路中會(huì)出現(xiàn)電感電流為負(fù)值的情況，如果注意到電路中的兩個(gè)MOSFET兩端反并聯(lián)的電容和二極管就不難發(fā)現(xiàn)答案，它們能提供反向電感電流的正向及反向通路，之所以需要電感電流反向，是因?yàn)槿绻环聪?，就不能形成VS1兩端并聯(lián)電容的放電回路，沒(méi)有放電回路就不能實(shí)現(xiàn)VS1兩端電壓到零，就不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這就是原因所在，之后VS2關(guān)斷，該階段結(jié)束。（5）第5階段t4-t5 此時(shí)電路由輸入電壓Vin，結(jié)電容C1，結(jié)電容C2，電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro組成，此時(shí)，電感電流iL方

24、向?yàn)樨?fù)，如前所述，正好可以為VS1的結(jié)電容C1提供放電回路，于是VS1的結(jié)電容C1通過(guò)L放電，同時(shí)電感電流對(duì)VS2的結(jié)電容C2充電，同VS2的結(jié)電容C2的放電過(guò)程相類似，VS1的兩端電壓可近似為線性下降。該階段結(jié)束于VS1的電壓下降到零，這一過(guò)程為VS1的零電壓導(dǎo)通提供了條件。（6）第6階段t5-t6 由于 VS1兩端電壓下降到零，導(dǎo)致VS1的反并二極管D1開通，將VS1的兩端電壓固定在零，為VS1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件，兩個(gè)開關(guān)的軟開關(guān)過(guò)程都必須是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成，并聯(lián)電容起到充放電的作用，反并二極管起到將電壓鉗位在零的作用。接著VS1在柵極觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，VS1零電壓條件下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)

25、，進(jìn)入下一周期，周而復(fù)始。那么到底要滿足怎樣的條件才能真正地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)？下面進(jìn)入?yún)?shù)分析，公式推導(dǎo)階段。綜上所述，Imin對(duì)結(jié)電容C1，C2充放電情況決定VS1的軟開關(guān)條件，而同樣，Imax對(duì)C1，C2充放電情況決定了VS2的軟開關(guān)條件。L，C1，C2的諧振充放電情況將直接影響軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件，而它們的充放電情況又由Imin和Imax決定，所以說(shuō)Imin與Imax的大小將直接影響軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)難易程度。進(jìn)入計(jì)算分析階段，其中：Imax=+Io= +Io 式(2.1)Imin=-Io= -Io 式(2.2）I= 式(2.3)要實(shí)現(xiàn)VS2的軟開關(guān)，根據(jù)能量大小關(guān)系，必須滿足讓C2上的電壓諧振到零，即

26、為：（C1+C2）Vin 2L|+Io| 2 式（2.4）為了更加便于計(jì)算，考慮到死區(qū)時(shí)間很小，再近似為死區(qū)時(shí)間內(nèi)iL保持不變，根據(jù)電量大小關(guān)系可以將VS2的軟開關(guān)條件簡(jiǎn)化為：(C1+C2)Vin|+Io| tdead2 式（2.5）VS2開通前的死區(qū)時(shí)間為tdead2同理可推導(dǎo)出VS1軟開關(guān)條件為：（C1+C2）Vin|-Io|tdead1 式（2.6）VS1開通前的死區(qū)時(shí)間為tdead1在得到（2.5）（2.6）這兩個(gè)重要公式后，如何進(jìn)行參數(shù)計(jì)算是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)槔锩娴奈粗刻?，?jīng)過(guò)各種搜集查證，如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)公式，首先應(yīng)該設(shè)置一些參數(shù)，再根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)，通過(guò)限制約束條件來(lái)計(jì)算另外的一些

27、參數(shù)，從而才能滿足（2.5）（2.6）這兩個(gè)重要的公式，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管VS1和VS2的軟開關(guān)。2.3 參數(shù)計(jì)算與設(shè)置設(shè)輸入電壓Vin=48V，f=200kHz（T=5us），tdead1=tdead2=0.5us，R=3.8，D=0.4，如何計(jì)算所有的參數(shù)是個(gè)難點(diǎn)，得一步一步來(lái)。首先要明確，在tdead1=tdead2的情況下，只要所選取的參數(shù)能滿足(2.6)式就一定能滿足(2.5)式，所以雖然看著是兩個(gè)條件，其實(shí)只需要針對(duì)(2.6)即可。其次，要明確，此電路要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，需要滿足的一個(gè)重要條件是電路的電感值L不能過(guò)大，即不能讓電路工作在電流連續(xù)的情況下，而讓電路工作在DCM（電感電流斷續(xù)）狀

28、態(tài)下，而需要滿足的條件應(yīng)為：1-D 式（2.7）此時(shí)，D=0.4，R=3.8，T=5us，經(jīng)計(jì)算可得L5.7uH,另一支路Lr5.7uH，不妨設(shè)Lr=4uH,L=30uH。5 改進(jìn)型電路Saber仿真驗(yàn)證先按新設(shè)計(jì)的電路圖在SaberSketch中繪制好電路圖，如圖5.1所示。并按要求設(shè)置好參數(shù)，保存。圖5.1 改進(jìn)型方案仿真電路圖參數(shù)設(shè)置完畢，仔細(xì)檢查一遍后，再進(jìn)行仿真分析。首先，點(diǎn)擊DesignSimulate，生成與設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)表并上載設(shè)計(jì)。接著對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行DC分析，DC分析的結(jié)果將作為時(shí)域分析的工作點(diǎn)。網(wǎng)標(biāo)上載成功后，選擇AnalysesOperating PointDC Oper

29、ating Point菜單，開啟DC分析參數(shù)設(shè)置界面，接受所有默認(rèn)參數(shù)，單擊OK按鈕后仿真器就對(duì)設(shè)計(jì)作DC分析。DC分析結(jié)束后選擇AnalysesTime-DomainTransient 菜單，打開時(shí)域瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置界面，在Basic標(biāo)簽下的參數(shù)為：End time為500us；Start Time為0；Time Step為1n；Run DC Analysis First 為No，Plot After Analysis 為Yes-Open Only，Input/Output 標(biāo)簽下的參數(shù)為：Plot File 為tr，Data File 為tr，Initial Point File 為dc，

30、End Point File 為tr，在Calibration標(biāo)簽下的參數(shù)為：Max Truncation Error 為0.0005，Sample Point Density為1，其它項(xiàng)均采用默認(rèn)參數(shù)。設(shè)置完成后單擊OK按鈕。首先繪制VS1的兩端電壓波形，由于不是單點(diǎn)的波形，要用到波形的計(jì)算，即一點(diǎn)的波形減去另一點(diǎn)的波形，必須要用到波形計(jì)算器，于是，打開波形計(jì)算器，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊in，此為輸入電壓的波形，再在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把輸入電壓的波形放進(jìn)了波形計(jì)算器的前一個(gè)；再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊1，此為VS1源極的電壓波形，然后在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把VS1源極的電壓波形輸入到了

31、波形計(jì)算器中，最后點(diǎn)擊波形計(jì)算器中的減號(hào)，出現(xiàn)了一個(gè)叫（in-1）的新信號(hào)，然后點(diǎn)擊第一個(gè)按鈕，即可繪制出VS1兩端的電壓波形（in-1），也是結(jié)電容C1兩端的電壓波形，如圖5.2所示，接著繼續(xù)打開波形計(jì)算器，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊2，此為VS1柵極的電壓波形，再在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把輸入電壓的波形放進(jìn)了波形計(jì)算器的前一個(gè)；再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊1，此為VS1源極的電壓波形，然后在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把VS1源極的電壓波形輸入到了波形計(jì)算器中，最后點(diǎn)擊波形計(jì)算器中的減號(hào)，出現(xiàn)了一個(gè)叫（2-1）的新信號(hào)，然后點(diǎn)擊第一個(gè)按鈕，即可繪制出VS1的觸發(fā)脈沖電壓波形（2-1），也是VS1柵源極

32、的電壓波形。圖5.2 VS1的軟開關(guān)波形由圖5.2可以看出，在每一個(gè)觸發(fā)脈沖（2-1）的上升沿到來(lái)之前，VS1兩端的電壓（in-1）就已經(jīng)被鉗位在了零電壓，當(dāng)觸發(fā)脈沖（2-1）剛剛到來(lái)的時(shí)刻VS1兩端的電壓（in-1）就已經(jīng)提前到達(dá)了無(wú)限接近于零的位置，通過(guò)這種方式，從而使得VS1有效實(shí)現(xiàn)了VS1管的軟開關(guān)。實(shí)現(xiàn)了VS1管的零電壓開通，減少了開關(guān)損耗，同時(shí)由于，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，還是會(huì)存在一定的開關(guān)損耗。再繪制VS1的電流電壓波形。首先繪制VS1的兩端電壓波形，由于不是單點(diǎn)的波形，要用到波形的計(jì)算，即一點(diǎn)的波形減去另一點(diǎn)的波形，必須要用到波形計(jì)算器，于是，打開波形計(jì)算器，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊in，此

33、為輸入電壓的波形，再在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把輸入電壓的波形放進(jìn)了波形計(jì)算器的前一個(gè)；再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊1，此為VS1源極的電壓波形，然后在波形計(jì)算器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，這樣就把VS1源極的電壓波形輸入到了波形計(jì)算器中，最后點(diǎn)擊波形計(jì)算器中的減號(hào)，出現(xiàn)了一個(gè)叫（in-1）的新信號(hào)，然后點(diǎn)擊第一個(gè)按鈕，即可繪制出VS1兩端的電壓波形（in-1），也是結(jié)電容C1兩端的電壓波形。再直接雙擊iin繪制出VS1的電流波形，如圖5.3所示。圖5.3 VS1的電流電壓波形由圖5.3可以清楚看出，在電路工作的每一個(gè)周期里，都不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)VS1兩端電壓與電流同時(shí)不為零的情況，即開關(guān)損耗不為0的情況，即是說(shuō)每

34、當(dāng)VS1電流不為零的時(shí)候，VS1兩端的電壓為零；VS1兩端電壓不為零的時(shí)候，通過(guò)VS1的電流為零，這與想得到的預(yù)期是完全一致的，說(shuō)明此設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，能夠極大地提高電路的效率，使得電路能夠高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。接著繪制VS2的兩端電壓波形，由于VS2的兩端電壓波形即為1點(diǎn)的電壓波形，繪制起來(lái)就很方便，直接雙擊1，就繪制出了VS2兩端的電壓波形，如圖5.4上面圖所示，再繪制VS2觸發(fā)脈沖的波形，雙擊3，此處VS2的柵極信號(hào)為3源極就是GND，就繪制出了VS2觸發(fā)脈沖的波形，如圖5.4中下面圖所示。圖5.4 VS2的軟開關(guān)波形由圖5.4可以看出，在每一個(gè)觸發(fā)脈沖（3）的上升沿到來(lái)之前，VS2兩端的電壓

35、（1）就已經(jīng)被鉗位在了零，當(dāng)觸發(fā)脈沖（3）剛剛到來(lái)的時(shí)刻VS2兩端的電壓（1）就已經(jīng)提前到達(dá)了無(wú)限接近于零的位置，通過(guò)這種方式，從而使得VS2有效實(shí)現(xiàn)了VS2管的軟開關(guān)。實(shí)現(xiàn)了VS2管的零電壓開通，減少了開關(guān)損耗，同時(shí)由于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，還是會(huì)存在一定的開關(guān)損耗。再繪制VS2的電流，電壓波形。首先繪制VS2的兩端電壓波形，直接雙擊（1），此為VS2兩端電壓的波形，再直接雙擊short5繪制出VS2的電流波形，如圖5.5所示。圖5.5 VS2的電流電壓波形由圖5.5可以清楚看出，在電路工作的每一個(gè)周期里，都不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)VS2兩端電壓與電流同時(shí)不為零的情況，即開關(guān)損耗部位零的情況，即是說(shuō)每當(dāng)V

36、S2電流不為零的時(shí)候，VS2兩端的電壓為零；VS2兩端電壓不為零的時(shí)候，通過(guò)VS2的電流為零，這與想得到的預(yù)期是完全一致的，說(shuō)明此設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，能夠極大地提高電路的效率，使得電路能夠高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。然后，繪制輸出電感電流的波形，清除掉電壓波形，直接雙擊iL，iLr,im繪制出波形，放大處理后觀察，如圖5.6、5.7、5.8、5.9所示。圖5.6 iL的工作波形圖圖5.7 iLr的工作波形圖圖5.8 im的工作波形圖圖5.9 iL，iLr，im的穩(wěn)態(tài)波形詳圖由圖5.9不難看出，電感電流im出現(xiàn)了反向的情況，在硬開關(guān)的Buck電路中是不可能出現(xiàn)這種情況的，硬開關(guān)的Buck電路中，只存在CCM（電感電流連續(xù)）和DCM（電感電流斷續(xù)）這兩種工作模式。為什么出現(xiàn)現(xiàn)在這種電感電流反向的工作情況？如前所述，正是因?yàn)橛辛薞S1，VS2兩端的反并二極管的存在，電感電流反向是實(shí)現(xiàn)VS1管零電壓導(dǎo)通的必要條件，這就是軟開關(guān)電路與硬開關(guān)電路本質(zhì)的區(qū)別所在，其實(shí)這是軟開關(guān)電路工作在DCM模式下的情況，硬開關(guān)電路之所以出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，就是因?yàn)樵疽聪虻碾娏鳑](méi)有流通的通路，造成電流為0，在軟開關(guān)電路中，由于有了開關(guān)管兩端并聯(lián)的反并二極管，為反向的電感電流提供了