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新型Buck软开关电路的设计与仿真贾贵玺;张春雁;肖有文;赵惠超【摘要】Buck converter has been found widely application in power electronics and power drives.In order to decrease its switching loss and noise in the operation,this paper proposes a novel soft-switching topology of Buck converter,and the resonant circuit is paralleled with the main switch,which makes the resonant process free from the effect ofload.Before the conduction of the main switch,the auxiliary switch conducts,and zero-voltage turn on and turn off the main and auxiliary switches are realized.This paper analyzes the process of soft-switching in detail,and the resonant parameters and minimum duty cycle of auxiliary switch are deduced.The simulation shows the validity of the design.%Buck 变换器在电力电子及传动中得到了广泛的应用,为了减少其工作过程中的开关损耗和开关噪声,本文提出了一种新型Buck软开关电路拓扑结构图,将谐振电路与主开关并联,谐振过程则不受负载电流大小的影响;主开关导通前先使辅助开关导通,实现了主开关和辅助开关的零电压开通和关断。
摘要开关电源是一种弱电和强电相结合的复杂电力电子装置，对于软开关电源，在一个工作周期内有多种工作模式，器件工作状态的影响因素很多，因而对设计手段提出了更高的要求。
而采用计算机仿真的方法研究开关电源的直流变换部分，可以对不同的设计方案进行快速的性能预测和比较，发现问题并及时改进。
本论文讨论了一种新型双管正激软开关DC/DC变换器的电路拓扑。
主功率器件采用IGBT元件，由功率二极管、电感、电容组成的谐振网络改善IGBT的开关条件，克服了传统开关在开通和闭合过程中产生功率损耗的缺点，减小了输出电压纹波，提高了电路效率。
论文中详细分析了电路工作原理，在不使用辅助开关管的情况下，实现了主功率开关管的软开通或关断。
依据设计原理建立了电路的仿真模型，利用Matlab/Simulink软件搭建了仿真模型，优化了主电路参数，记录了电路关键参数波形图，通过电路仿真验证了电路的可行性，该电路具有输出纹波小和输出功率高的特点。
该电路结构简单、成本低、工作频率高、效率高，有较高实用价值。
关键词：DC/DC变换器；双管正激；软开关；仿真AbstractThere is complicated relation between Power and electronics in device of the switching Power supply．For the soft-switching power supply，there are several modes in one work cycle and the working state of the switching device is influenced by so many terms and conditions．so it requires more advanced research means．If we research the switching power supply by computer simulation，different method and performance of the system can be compared rapidly，and the problems can be found soon and improved in time．The present paper discussed one new kind of double barrel to stir up soft switch DC/DC converter electric circuit analysis．The main power component uses the IGBT part，by the power diode, the inductance，the electric capacity is composed the resonant network to improve the switch condition of the IGBT，it will overcome the traditional switch to clear and in the closed process the power production will lose，it reduced the ripple voltage and improved the power efficiency．Entire chapter paper multianalysis electric circuit principle of work，in does not using in the auxiliary switching valve's situation，It has realized the main power switching valve's zero potential zero electric current clear and the shutdown．As it has established electric circuit's simulation model based on the principle of design，has built the simulation model using the Matlab/Simulink software，optimized the main circuit parameter，has recorded the electric circuit key parameter oscillogram，has confirmed this electric circuit principle of work analysis accuracy through the circuit simulation．This circuit structure is simple，the cost is low，the operating frequency is high，and the efficiency is high, so the converter has the high use value．Keywords：DC/DC converter；Double Barrel Forward；Soft-switching；Simulation目录第1章概述 (1)1.1 引言 (1)1.2 开关电源技术的发展状况 (1)1.3 课题的研究背景 (3)1.4 课题研究主要内容 (3)第2章DC/DC变换技术分析 (4)2.1 DC/DC变换器的分类 (4)2.2 正激变换器的原理 (5)2.3 本章小结 (10)第3章软开关技术分析及开关管的选择 (11)3.1 软开关电路的分类 (11)3.2 软开关与硬开关电路特性比较 (12)3.3 开关管的选择 (14)3.4 本章小结 (17)第4章软开关双管正激变换器的分析 (18)4.1 软开关双管正激变换器原理 (18)4.2 系统主要仿真参数的设计 (20)4.3 本章小结 (21)第5章双管正激软开关变换器的仿真研究 (22)5.1 Matlab仿真软件介绍 (22)5.2 主电路仿真 (23)5.3 本章小结 (29)结论 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第1章概述1.1 引言电源大致可以分为两类：发出电能的电源和变换电能的电源。
题目 软开关电路研究与仿真 学院 自动化学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气1004班 姓名 张珊指导教师 2013年 7月 2 日0121011350435 学号： 能力拓展训练能力拓展训练任务书学生姓名：张珊专业班级:电气1004班指导教师: 工作单位：武汉理工大学题目：软开关电路研究与仿真初始条件：几种典型的软开关电路为：零电压开关准谐振电路，谐振直流环电路, 移相全桥零电斥开关电路等。
要求完成的主要任务:1.分析软开关和硬开关。
2.分析常见软开关电路的拓扑结构及特点。
3.选择一种或几种典型软开关电路，设计仿真模型及参数，分析仿真输出波形。
4.拓展训练说明书不少于5000字，参考文献不少于5篇，画出电路图,仿真模型，给出仿真波形并分析。
拓展训练说明书应严格按统一格式打印，图纸.元器件符号及文字符号符合国家标准，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。
时间安排:2013. 7. 3 -2013. 7. 4 收集拓展训练和关资料2013. 7. 5 -2013. 7. 7 系统设计及仿真2013. 7. 8 -2013. 7. 9 撰写论文及答辩指导教师签名：2013年7 月2日系主任（或责任教师）签名:年月日摘要软开关技术是近年來电力电子领域的研究热点,采用该技术可以降低开关损耗，减小电干扰，进而提高开关频率，从而使得开关电源向体积小、重量轻、能量密度高的方向发展。
本文对软开关的电路结构及特点进行介绍，主要对典型的软开关电路进行分析，了解1:作过程，并且对降床型的零电床开关准谐振电路的匸作原理进行研究，采用matlab仿真软件进行仿真得到对应的和关波形,从得验证软开关技术在实际电路中的有效性。
关键字：软开关准谐振matlab1软开关的基本概念1.1硕开关概念在电路中，开关开通和关断过程中的电压电流均不为零，出现了重廉，因此有显著地开关损耗，并且电床电流变化很快，波形出现了明显的过冲，导致开关噪音，这样的开关过程成为硬开关，主要的开关过程为硬开关的电路成为硬开关电路。
基于MATLAB的软开关PWM-ZCS变换器设计与仿真摘要：本文介绍了PWM控制的软开关PWM-ZCS零电流串联谐振变换器的工作原理,计算了谐振电感值和谐振电容值,并应用MATLAB/SIMULINK对其仿真。
仿真和试验结果验证了本文结论的正确性关键词：MATLAB；PWM-ZCS ；软开关引言目前在大功率、高频电源中软开关PWM技术、谐振开关变换技术的应用已经十分成熟，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化采用软开关技术，其实质就是在主开关上增加电感和电容等储能元件构成谐振电路.当变换器主开关进行换流时产生谐振，迫使主开关上的电压或电流变为零，从而为主开关提供一个零电压或零电流的开关环境[1]。
其技术的核心在于电感和电容的选择计算，选择参数后，利用MATLAB软件进行仿真，验证计算结果的正确性。
MATLAB中有一个附加组件动态仿真工具SIMULINK，这是一个系统级的建模与动态仿真工作平台。
SIMULINK是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的模型的，特别对于复杂的非线性系统，它的效果更为明显[2]。
另外，Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程，可以直观的验证设计结果。
本文将介绍PWM零电流串联谐振变换器的设计及利用MATLAB的动态仿真工具SIMULINK对其仿真，验证设计结果。
1. ZCS串联谐振变换器原理在PWM开关电路中串入电感与电容的谐振电路，使得流经开关的电流波形为正弦波形的一部分，这种变换器称为串联谐振变换器。
若令开关在零电流时通断，这就是软开关零电流串联谐振变换器。
变换器由四个开关S1~S4，一串联电容和一串联电感组成，每一开关均由一半导体器件IGBT和一反并联二极管来实现的。
它的基本原理图如图1所示：3.仿真验证在MATLAB中使用SIMULINK动态仿真工具的系统工具箱，选择电力电子仿真模块建立仿真模型如图4所示，主要模块的参数设置如下：电源部分：采用220V的三相正弦交流电经二极管整流桥整流后供电，二极管整流桥直接使用电力系统工具箱中的模块，参数默认。
基于软开关技术的高压电源研究与实现软开关技术是一种电力电子技术，它能够实现电源开关过程中的无损耗切换，降低开关过程中的电压和电流的瞬时变化，从而提高电源的效率和可靠性。
在高压电源领域，软开关技术的应用也日益受到关注和重视。
高压电源是一种产生较高电压输出的电源设备，广泛应用于工业领域、医疗设备、科研实验等场合。
传统的高压电源存在着开关过程中能量损耗大、噪音和电磁干扰大等问题。
而基于软开关技术的高压电源则能够有效地解决这些问题。
软开关技术的核心是在开关过程中实现电压和电流的零电压和零电流切换。
这种切换方式不仅能够降低开关过程中的能量损耗，还能减少电磁干扰和噪音。
通过采用适当的开关管和控制电路，可以实现软开关的高压电源。
在软开关技术的研究和实现过程中，需要考虑多个因素。
首先是选择适合的开关管和控制电路，以实现软开关的效果。
开关管的选择要综合考虑其导通损耗、开关损耗、电压和电流承受能力等因素。
控制电路的设计要保证开关管的合适开关时间和序列，以实现软开关过程中的零电压和零电流切换。
其次是实现软开关技术的电源拓扑结构设计。
常见的高压电源拓扑结构有LLC谐振式、LLC谐振反激式、变压器耦合式等。
在设计过程中，需要考虑电源的输出功率、效率、稳定性和成本等因素，选择适合的拓扑结构来实现软开关的高压电源。
最后是对软开关技术的控制策略研究。
控制策略是实现软开关过程中关键的一环，可以通过合理的控制策略来提高电源的效率和稳定性。
常见的控制策略有固定频率控制、变频控制、自适应控制等。
在研究和实现过程中，需要根据电源的需求和特点选择合适的控制策略。
综上所述，基于软开关技术的高压电源研究与实现在提高电源效率和可靠性方面具有重要意义。
通过选择合适的开关管和控制电路、设计适合的拓扑结构和研究合理的控制策略，可以实现高效、稳定和可靠的高压电源，满足不同领域对高压电源的需求。
重庆大学本科学生毕业设计（论文）Buck电路的软开关设计和仿真摘要在当今节能型社会中，如何提高电源的效率成为电源技术研究的重点。
早期的开关电源均采用硬开关技术，在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，并且开关频率越高，开关损耗就越大。
而高频化是减小开关电源体积的重要途径，但是硬开关电源中高频化必然带来电源效率的降低，因此硬开关电源不能适应高频化的发展趋势。
这样采用软开关技术的电源应运而生，它是解决高频化和提高电源效率二者矛盾的有效手段。
本文对采用N沟道增强型MOSFET作开关器件的Buck电路进行了软开关的设计和仿真。
用到的方案是准谐振充放电模式，使MOSFET漏源极两端的电压能在栅极触发脉冲到来前变为零，使开关管能进行零电压开通。
这样就能有效地实现Buck电路的软开关，提高电路的效率。
最后利用Saber仿真软件，对设计的软开关控制策略进行了仿真验证，结果与预期相符合。
在得到此方案的顺利运行后，考虑到输出支路电感电流存在反向的问题，使得输出电流纹波较大，又运用叠加原理的思路，设计了另一方案，从而有效地避免了输出电流反向的问题。
关键词：降压变换器，软开关，Saber仿真ABSTRACTIn today's energy-saving type society, how to improve 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 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 presents 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 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 problem which makes the output current ripple large, I present another method which can avoid the problem.Key words：Buck converter, soft switching, saber simulation目录摘要 (I)ABSTRACT.................................................. I I 1 绪论. (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究的目的及意义 (1)1.3 研究的主要内容 (2)2 Buck电路软开关电路设计及原理分析 (3)2.1 Buck电路软开关设计方案 (3)2.2 原理分析 (5)2.3 参数计算与设置 (9)3 Saber仿真验证 (10)3.1 Saber仿真软件的组成 (10)3.2 Saber仿真软件的特征 (10)3.3 Saber的分析功能 ................................................................................ 错误!未定义书签。
学号：0121011350435能力拓展训练题目软开关电路研究与仿真学院自动化学院专业电气工程及其自动化班级电气1004班姓名张珊指导教师2013年7月2日能力拓展训练任务书学生姓名：张珊专业班级：电气1004班指导教师：工作单位：武汉理工大学题目:软开关电路研究与仿真初始条件：几种典型的软开关电路为：零电压开关准谐振电路，谐振直流环电路，移相全桥零电压开关电路等。
要求完成的主要任务:1. 分析软开关和硬开关。
2.分析常见软开关电路的拓扑结构及特点。
3. 选择一种或几种典型软开关电路，设计仿真模型及参数，分析仿真输出波形。
4. 拓展训练说明书不少于5000字，参考文献不少于5篇，画出电路图，仿真模型，给出仿真波形并分析。
拓展训练说明书应严格按统一格式打印，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。
时间安排：2013.7.3 －2013.7.4 收集拓展训练相关资料2013.7.5 －2013.7.7 系统设计及仿真2013.7.8 －2013.7.9 撰写论文及答辩指导教师签名：2013 年 7 月 2 日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要软开关技术是近年来电力电子领域的研究热点,采用该技术可以降低开关损耗,减小电干扰,进而提高开关频率,从而使得开关电源向体积小、重量轻、能量密度高的方向发展。
本文对软开关的电路结构及特点进行介绍，主要对典型的软开关电路进行分析，了解工作过程，并且对降压型的零电压开关准谐振电路的工作原理进行研究,采用matlab仿真软件进行仿真得到对应的相关波形,从得验证软开关技术在实际电路中的有效性。
关键字：软开关准谐振matlab1软开关的基本概念1.1硬开关概念在电路中，开关开通和关断过程中的电压电流均不为零，出现了重叠，因此有显著地开关损耗，并且电压电流变化很快，波形出现了明显的过冲，导致开关噪音，这样的开关过程成为硬开关，主要的开关过程为硬开关的电路成为硬开关电路。
它的开关过程如图1.1所示。
a)硬开关的开通过程 b）硬开关的关断过程图1.1硬开关的开关过程总结起来硬开关具有以下缺点：1）开关损耗大。
开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。
电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。
2）感性关断电尖峰大。
当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。
此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。
3）容性开通电流尖峰大。
当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。
频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。
另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。
频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。
4）电磁干扰严重。
随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。
开关损耗和开关频率之间呈线性关系，因此当开关频率并不高时，开关损耗占损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著，这时必须采用软开关技术来降低开关损耗。
1.2软开关概念软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。
软开关硬开关电路中加入了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，因此降低开关损耗和开关噪音。
和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。
理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。
软开关的开关过程如图1.2所示。
a)软开关的开通过程 b）软开关的关断过程图1.2 软开关的开关过程相对硬开关，软开关提高了开关频率，降低甚至是消除了开关损耗，因此其工作条件更好。
软开关分为零电压开关和零电流开关。
使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪音，这种开通方式为零电压开通；使开关关断前其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和噪音，这种关断方式为零电流开通。
与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。
是要靠电路中的谐振来实现。
2软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。
根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
1）准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。
为最早出现的软开关电路，可以分为：a)零电压开关准谐振电路（ZVS QRC）b)零电流开关准谐振电路（ZCS QRC）；c)零电压开关多谐振电路（ZVS MRC）；用于逆变器的谐振直流环节图2.1 对应的准谐振电路基本单元特点：1）谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；2）谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；3）谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation—PFM）方式来控制。
2）零开关PWM电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。
零开关PWM电路可以分为：a)零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter—ZVS PWM）；b)零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Converter—ZCS PWM）。
两电路的基本单元接线如下图所示图2.2 对应的零开关PWM电路基本单元特点：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
3）零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。
零转换PWM电路可以分为：a)零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM）；b)零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter—ZVT PWM）。
两电路的基本单元接线如下图所示：图2.3 零转换PWM电路的基本单元特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。
电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
3典型的软开关电路3.1零电压开关准谐振电路3.1.1 原理分析零电压开关准谐振电路是一种结构较为简单的软开关电路，容易分析和理解。
以降压型电路为例，分析其工作原理，电路原理如图3.1所示，电路工作时理想化的波形如图3.2所示，在分析过程中假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
图3.1 零电压开关准谐振电路原理图图3.2零电压开关准谐振电路理想化波形工作原理：t0~t1时段：t0时刻之前，开关S为通态，二极管VD为断态，u Cr=0， i Lr=I L; t0时刻, S关断，与其并联的电容C r使S关断后电压上升减缓，因此S 的关断损耗减小。
S关断后，VD尚未导通，电感L r+L向C r充电，由于L很大，可以等效为电流源。
u Cr线性上升，同时VD两端电压u VD逐渐下降，直到t1时刻，u VD=0，VD导通。
这一时段u Cr的上升率：d u Crd t =I LC r。
t1~t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。
谐振过程中，L r对C r充电，u Cr不断上升，i Lr不断下降，直到t2时刻，i Lr下降到零，u Cr达到谐振峰值。
t2~t3时段：t2时刻后，C r向L r放电，i Lr改变方向，u Cr不断下降，直到t3时刻，u Cr=U i，这时L r两端电压为零，i Lr达到反向谐振峰值。
t3~t4时段：t3时刻以后，L r对C r反向充电，u Cr继续下降，直到t4时刻u Cr=0。
t1到t4时段电路谐振过程的方程为：{L rd iLrd t+U Cr=U i C rd uCrd t=i LrU Cr|t=t1=U i,i Lr|t=t1=I L,t∈[t1,t4]t4~t5时段：VD S导通，U Cr被箝位于零，L r两端电压为U i，i Lr线性衰减，直到t5时刻，i Lr=0。
由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。
t5~t6时段：S为通态，i Lr线性上升，直到t6时刻，i Lr=I L，VD关断。
t4到t6时段电流i Lr的变化率为：d i Lrd t =U iL rt6~t0时段：S为通态，VD为断态。
3.1.2谐振过程定量分析求解式（7-2）可得U Cr（即开关S的电压U S）的表达式：U Cr(t)=√L rC r I L sinωr(t−t1)+U i,ωr=√L Ct=[t1,t4]U Cr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：U P=√L rC rI L+U i,零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：√L rC rI L≥U i缺点：谐振电压峰值将高于输入电压U i的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。
这增加了电路的成本，降低了可靠性，时零电压开关准谐振电路的一大缺点。
3.2 谐振直流环谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。
通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。
原理图如图3.5所示，它用一个辅助开关S就可以使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下。
由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，所以在分析时可将电路等效为图3.6，由于同谐振过程相比，感性负载的电流变化非常缓慢，因此可以将负载电流是常量，而且忽略电路中的损耗。
其理想化波形如图3.7所示。
图 3.5 谐振直流环电路原理图由图3.6分析电路的工作过程t0~t1时段：t0时刻之前，电感L r的电流i Lr大于负载电流I L，开关S处于通态；t0时刻S关断，电路中发生谐振。
因为i Lr>I L,因此i Lr对C r充电，U Cr不断升高，直到t1时刻，U Cr=U i。
