Buck電路的軟開關(guān)設(shè)計(jì)和仿真-本科畢業(yè)論文

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)和仿真重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 中文摘要摘 要在當(dāng)今節(jié)能型社會中，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。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MO

2、SFET漏源極兩端的電壓能在柵極觸發(fā)脈沖到來前變?yōu)榱?，使開關(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題。關(guān)鍵詞：降壓變換器，軟開關(guān)，Saber仿真I重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACTIIABSTRACTIn today's energy-saving type society, how to imp

3、rove the efficiency of power supply becomes an important 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

4、switching loss is. The high operating frequency is an important way to reduce the volume, so the hard switching technology doesn't 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 pres

5、ents a soft switching method of the Buck converter which uses 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

6、zero voltage turn-on mode. In this way, it can effectively 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 p

7、roblem which makes the output current ripple large, I present another method which can avoid the problem. Key words：Buck converter, soft switching, saber simulation重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 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

8、 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)36重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論9 1 緒論1.1 研究背景現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢是集成化，輕量化和小型化，同時(shí)對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。通過將開關(guān)頻率提高的途徑可以減少濾波器的參數(shù)

9、，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，所以簡單地提高開關(guān)頻率是行不通的。而軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)將會解決這一問題，它能夠解決開關(guān)損耗和噪聲的問題，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。近年來國內(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

10、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)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。較大的損耗會出現(xiàn)在開通或關(guān)斷過程中。硬開關(guān)技術(shù)有以下幾個主要問題3：開關(guān)損耗問題：在開關(guān)管開通關(guān)斷過程出現(xiàn)電流和電壓重疊，造成開關(guān)損耗；感性關(guān)斷問題：嚴(yán)重的電壓尖峰會出現(xiàn)在電路中的寄生電感在高頻工作時(shí)；容性開通問題：嚴(yán)重的浪涌電流會出現(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)問題；二極管存在反向恢復(fù)期，

11、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，而如果高頻化的過程中，開關(guān)損耗以倍數(shù)同時(shí)增大的話，就會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。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

12、家的產(chǎn)業(yè)節(jié)能，為社會做出應(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)，每個周期內(nèi)iL一直大于0；斷續(xù)導(dǎo)電模式：穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個周期內(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)，通過一個48V輸入，24V輸出，開關(guān)周期為5us的電路進(jìn)行了仿真

13、，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遇到更加復(fù)雜的軟開關(guān)形式，通過本設(shè)計(jì)可以鋪平道路。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 Buck電路軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)及原理分析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

14、DC/DC變流電路，可以根據(jù)用戶的需求，輸出對應(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，工作效率低的問題。這將直接影響到其集成化，輕型化的要求。為了方便對此問題的了解，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

15、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（即完全無開關(guān)損耗的狀態(tài)下），輸出電壓Uo應(yīng)該為12×0.42=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2.3 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)過開關(guān)管控制后的輸入電壓圖圖2.5 經(jīng)過開關(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

16、，經(jīng)過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，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)致輸出電壓無法滿足需求。顯而易見，這就是硬開關(guān)電路所存在的問題。使得電路的工作效率僅為4×4.5/(5.04×6.07)×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

17、積到一定的程度，將會產(chǎn)生難以預(yù)計(jì)的后果，甚至可能會威脅到人身財(cái)產(chǎn)安全。綜上所述，軟開關(guān)技術(shù)勢在必行，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，這個兩個開關(guān)管都是N溝道增強(qiáng)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電路中除了有一個開關(guān)管外，還有一個

18、二極管，而此電路中原本那個位置的二極管變成了一個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來替代二極管，能使得電路獲得比較高的效率，同時(shí)兩個開關(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，兩個開關(guān)管上并聯(lián)的電容C1，C2用來與電感L組成準(zhǔn)諧振回路進(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，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 VS2兩個開關(guān)管的軟開關(guān)也必須在該死區(qū)內(nèi)完成

19、。這是一種最簡易的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)頻率的提高而以倍數(shù)增加。采用此種設(shè)計(jì)的電路之后，通過諧振充放電，可以使得開關(guān)管在每一個觸發(fā)脈沖到來之前電壓放電到零，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)，可以簡化分析過程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

20、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程。 一個工作周期分為6個階段，其工作過程如下：（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iL線性增加，由負(fù)值變?yōu)檎?，為什么是從?fù)值變成正值，看過后面的分析你就會明白，在t1時(shí)刻，VS1關(guān)斷，電感電流到達(dá)一個最大值，該階段結(jié)束，由此在電感上就儲蓄有一定的能量，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

21、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通過電感L放電，這正好符合了電流本來流動的方向，因此電感電流iL會線性下降，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VS2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。在這一過程中，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，否則無法實(shí)現(xiàn)VS2的軟開關(guān)。（3）第3階段t2

22、-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)脈沖到來時(shí)，VS2能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，在本設(shè)計(jì)

23、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)樵谝话愕恼Ｇ闆r下，Buck電路只能工作在CCM（電感電流連續(xù)，每個周期內(nèi)不到零點(diǎn)）和DCM（電感電流斷續(xù)）的兩種模式下，為什么在這個電路中會出現(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

24、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L放電，同時(shí)電感電流對VS2的結(jié)電容C2充電，同VS2的結(jié)電容C2的放電過程相類似，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，這一過程為VS1的零電壓導(dǎo)通提供了條件

25、。（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，兩個開關(guān)的軟開關(guān)過程都必須是在死區(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)脈沖到來時(shí)，VS1零電壓條件下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，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

26、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

27、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）這兩個重要公式后，如何進(jìn)行參數(shù)計(jì)算是個難點(diǎn)，因?yàn)槔锩娴奈粗刻啵?jīng)過各種搜集查證，如何實(shí)現(xiàn)這個公式，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)，通過限制約束條件來計(jì)算另外的一些參數(shù)，從而才能滿足（2.5）（2.6）這兩個重要的公式，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)是個難點(diǎn)，得一步一步

28、來。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條件，其實(shí)只需要針對(2.6)即可。其次，要明確，此電路要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，需要滿足的一個重要條件是電路的電感值L不能過大，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L<5.7uH，不妨取L=2uH。再將設(shè)定的條件代入（2.6）式進(jìn)行計(jì)算，接著為了方便計(jì)算近似處理C1=C2=C原式可變?yōu)椋?C×48|-|×

29、0.5×10-6 式（2.8）計(jì)算得C4.8×104pF因此可取C1=C2=1000pFVin=48V，L=2uH，C1=1000pF，C2=1000pF，D=0.4，T=5us，tdead1=0.5us，tdead2=0.5us，R=3.8，C=470uF其中，C是濾波電容，取值較大，是參考的有關(guān)資料。至此，所有參數(shù)計(jì)算完畢，可進(jìn)行仿真驗(yàn)證。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 Saber仿真驗(yàn)證253 Saber仿真驗(yàn)證3.1 Saber仿真軟件的組成（1）SaberSketch：SaberSketch是圖形化輸入軟件工具，擁有這個部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)變得前所未有的直觀、方便、

30、容易。若庫中沒有符號元件，還可以自己增加庫元件。（2）SaberDesigner：SaberDesigner是一個集成分析環(huán)境，它由Saber仿真器組成，SaberDesigner集成環(huán)境的核心的核心正是Saber仿真器；SaberGuide，用于指導(dǎo)仿真進(jìn)程，能夠進(jìn)行報(bào)錯分析等；SaberScope，能夠分析顯示波形，用于分析仿真結(jié)果的波形。（3）SaberBook：SaberBook是文檔瀏覽軟件包。3.2 Saber仿真軟件的特征1)混合系統(tǒng)仿真混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真即是說Saber能夠?qū)θ缬呻娮?、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，這是Saber的最大亮點(diǎn)

31、。2)MAST硬件語言MAST語言是Analogy公司開發(fā)的對物理部件建立仿真模型的硬件描述語言。用MAST語言可以對電子(數(shù)字或模型)、機(jī)械、控制等不同類型的部件建立仿真模型，實(shí)現(xiàn)混合仿真。3)開放的部件庫Saber的部件庫是開放式的，用戶可以借助于MAST語言建立自己的部件模型，并用SaberSketch為其設(shè)計(jì)圖形符號，以便能用圖形輸入方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)7。用戶也可以用已有的部件組合出一個符合自己要求的子系統(tǒng)，并為此子系統(tǒng)建立一個圖形符號，作為部件來用。4)模塊化、分級式系統(tǒng)設(shè)計(jì)Saber允許系統(tǒng)按功能模塊分級設(shè)計(jì)，即頂層系統(tǒng)可以包含若干個按功能劃分的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又可以包含下一層的子系統(tǒng)，

32、以此類推。這種結(jié)構(gòu)為大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分工合作帶來了方便8。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D1，D2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模式下的特殊情況，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]有流通的通路，造成電流為零，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

33、向的電感電流提供了通路。最后來看輸出電壓，直接雙擊out，就繪制出了out端的電壓，即輸出端的電壓如圖3.8所示。圖3.8 輸出電壓由圖3.8可以清楚看出，輸出電壓在23.8V左右，而設(shè)置的輸入電壓是在48V，D=0.4，按理論值，輸出電壓應(yīng)該為48×0.4=19.2V，為什么會出現(xiàn)這種情況？這是因?yàn)橛兴绤^(qū)時(shí)間的存在，即tdead1=tdead2=0.5us，若把死區(qū)時(shí)間算在內(nèi)，實(shí)際的占空比，應(yīng)該在D=0.5，輸出電壓應(yīng)該為48×0.5=24V左右，仿真的輸出電壓在23.8V，可見此Buck電路的效率非常高，為23.8×6/（24×6.3）×1

34、00%=94.4%，比硬開關(guān)的Buck電路效率的58.8%高出了許多，開關(guān)損耗得到了明顯的抑制，為器件的高頻化發(fā)展提供了有力條件。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 Buck電路軟開關(guān)的改進(jìn)設(shè)計(jì)4 Buck電路軟開關(guān)的改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案對初步設(shè)計(jì)電路進(jìn)行分析與思考，如圖2.1所示的電路，此電路雖然能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，電路效率高，但也有其比較明顯的缺點(diǎn)的，那就是輸出支路，電感電流出現(xiàn)反向的情況?？梢韵胂?，如果負(fù)載要求電流波動比較小，此電路是難以符合要求的，作為一個輸出支路，電流出現(xiàn)反向，這將會給負(fù)載帶來很大壓力。比如，電流的不穩(wěn)定會引起電磁干擾，會造成電力不足，帶不動負(fù)載，造成輸出功率的不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)

35、停電的情況，影響負(fù)載的正常工作。因?yàn)锽uck電路是一個DC/DC電路，希望輸出電流能盡量較為穩(wěn)定，紋波足夠小，就必須需要提出新的方案。到底如何才能使得電路既能工作在軟開關(guān)狀態(tài)，又能讓輸出電流盡量穩(wěn)定，紋波盡量小，這是一個難點(diǎn)10。通過各方面，全方位，多角度，立體化的思考，嘗試用新的方法去解決問題?？紤]到僅是輸出支路需要工作在電流連續(xù)的方式下，而同時(shí)要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，整個電路又必須要工作在電感電流反向的情況下，這看上去是一個不可調(diào)和的矛盾，需要有某種緩沖劑來雙向地解決此問題。通過各種嘗試與探索，最后終于想到運(yùn)用所學(xué)習(xí)到的知識，想到運(yùn)用電路原理中的疊加原理，再加入一個支路，設(shè)置此支路的電感值較小，工作

36、在電感電流反向的狀態(tài)下，同時(shí)輸出支路電感值較大，可以工作在電感電流連續(xù)，紋波小，較穩(wěn)定的狀態(tài)，并且在上述兩個支路的電流疊加后，依然是工作在電感電流反向的狀態(tài)下即可，不是就能達(dá)到預(yù)期的效果了嗎？于是改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，如圖4.1所示。圖4.1 Buck電路軟開關(guān)改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案電路圖 此電路與圖2.1所示電路的區(qū)別在于，新加入了Lr，Cr這一支路，就像矢量的合成一樣，需要有兩個方向，但總體的要求是偏向其中一方的，只需要將那一方的值設(shè)置得較大即可。于是該電路初步設(shè)想的模式是，iLr為電流反向模式，可以說是此電路的主模式，而iL為電流連續(xù)模式（紋波較?。梢哉f是工作在此電路的副模式下，而最終im工作狀

37、態(tài)為反向模式。這樣既能實(shí)現(xiàn)整體電路的軟開關(guān)，又能讓輸出支路的電流紋波較小，工作在電流不反向的狀態(tài)，這樣就能實(shí)現(xiàn)為負(fù)載提供更可靠的電源的要求。4.1 改進(jìn)型電路原理分析圖4.2電路主要工作波形改進(jìn)型電路的工作波形如圖4.2所示，其工作情況與圖2.6所示電路相仿，只是把原來的L，Co ，Ro部分變成了Lr，Cr，L，Co，Ro，同時(shí)出現(xiàn)了im，iL和iLr，工作原理與圖2.6所示電路類似，可參照圖2.6下方的分析過程。不同的是只是需要重新進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算，以達(dá)到預(yù)期的減少輸出支路電感電流反向問題的目的。4.2 改進(jìn)型電路參數(shù)計(jì)算與設(shè)置IL= 式（4.1）ILr= 式（4.2）ILmax=+Io=+I

38、o 式（4.3）ILmin=Io-VS1的軟開關(guān)條件由Immin對結(jié)電容C1，C2充放電來創(chuàng)造，而同理，VS2的軟開關(guān)條件由Immax對C1,C2充放電來創(chuàng)造。Immin與Immax的大小將直接影響軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)難易程度。同圖2.3所分析的電路類似，針對VS1管，要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)需要滿足的條件為： （C1+C2）Vin|-Io|tdead1 式（4.9）其中tdead1為VS1開通前的死區(qū)時(shí)間針對VS2管，要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)需要滿足的條件為：（C1+C2）Vin|+Io|tdead2 式（4.10）其中tdead2為VS2開通前的死區(qū)時(shí)間由于電路的大致結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，原電路不影響結(jié)果的參數(shù)可以照搬。如下

39、：Vin=48V，C1=1000pF，C2=1000pF，D=0.4，T=5us，tdead1=0.5us，tdead2=0.5us，R=3.8，Cr=470uF，Co=2000uF。下面進(jìn)行電感值的計(jì)算，由于L支路要工作在電感電流連續(xù)情況，Lr支路必然工作在電感電流反向的情況下，由原電路的計(jì)算可知，L=5.7uH為臨界情況，所以此電路必須輸出支路L>5.7uH,另一支路Lr<5.7uH，不妨設(shè)Lr=4uH,L=30uH。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 新電路Saber仿真驗(yàn)證26重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 結(jié)論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S

40、aberSketch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)對應(yīng)的網(wǎng)表并上載設(shè)計(jì)。接著對設(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 Operating 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

41、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，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

42、。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；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，出現(xiàn)了一個叫（in-1）的新信號，然后點(diǎn)擊第一個按鈕，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，

43、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；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，出現(xiàn)了一個叫（2-1）的新信號，然后點(diǎn)擊第一個按鈕，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，在每一個觸發(fā)脈沖（2-1）的上升沿到來之前，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）剛剛到來的時(shí)刻VS1兩端的電壓（in-1）就已經(jīng)提

44、前到達(dá)了無限接近于零的位置，通過這種方式，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，沒有實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，還是會存在一定的開關(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；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

45、后點(diǎn)擊波形計(jì)算器中的減號，出現(xiàn)了一個叫（in-1）的新信號，然后點(diǎn)擊第一個按鈕，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周期里，都不會同時(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，即是說每當(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VS1的電流為零，這與想得到的預(yù)期是完全一致的，說明此設(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

46、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，在每一個觸發(fā)脈沖（3）的上升沿到來之前，VS2兩端的電壓（1）就已經(jīng)被鉗位在了零，當(dāng)觸發(fā)脈沖（3）剛剛到來的時(shí)刻VS2兩端的電壓（1）就已經(jīng)提前到達(dá)了無限接近于零的位置，通過這種方式，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)由于沒有

47、實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，還是會存在一定的開關(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周期里，都不會同時(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，即是說每當(dāng)VS2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VS2的電流為零，這與想得到的預(yù)期是完全一致的，說明此設(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