新型無源軟開關變換器

胡浩，閆英敏，陳永利

（軍械工程學院 河北 石家莊 050003）

電力電子變流技術也稱為電力電子器件應用技術，它包括用電力電子器件構成的各種電力電子變換電路，以及由這些電路構成電力電子裝置和電力電子系統的技術。也就是說，一般從蓄電池和電網直接得到的電能是不能直接滿足設備和裝置使用的，必須經過電力變換才能將電能轉化為所需要的電能，從而電力電子變換是電力電子技術的重要組成部分，電力電子變換器是開關電源的核心部分[1]。電力電子技術在電力電子變換方面主要包括電壓、電流、頻率、波形和功率等。電力電子電路及設備通常被稱為變換器。按照電能變換功能分類，電力變換通?？煞譃樗拇箢悾粗绷髯冎绷?、直流變交流、交流變交流和交流變直流[2]。交流變交流稱為交-交變頻，相應的變流裝置稱為周波變換器，周波變換器廣泛應用于低頻、大功率交流調速[3]。直流變換器按輸入與輸出是否隔離可以分為沒有電氣隔離的不隔離直流變換器和有電氣隔離的隔離直流變換器。不隔離的直流變換器按所用有源功率器件的個數，可分為單管、雙管和四管3類。單管直流變換器有6種，即降壓式 Buck變換器、升壓式變換器、升降壓式變換器、Cuk變換器、Zeta變換器和 Sepic變換器。在功率開關管電壓和電流額相同時，變換器的輸出功率通常與所用的開關管的數量成正比，而直流變換器按能量的傳遞來說有單向和雙向的兩種[4-6]。

1 軟開關技術基礎

1.1 硬開關技術及其不足

首先了解一下硬開關與軟開關[7-8]的概念。硬開關過程是通過突變的開關過程中斷功率流完成能量的變換過程，頻率越高，損耗越大；軟開關通過電感L和電容C的諧振，使開關器件中電流或兩端電壓按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過零時，使器件關斷，當電壓下降到零時，使器件導通。開關器件在零電壓與零電流條件下完成導通與斷開的過程，使器件的開關損耗理論上為零。開關器件處于開通狀態和關斷狀態時，消耗的功率是比較小的，而當開關開通狀態結束，由開通狀態向關斷狀態轉換，或者當開關關斷狀態結束，由關斷狀態向開通狀態轉換這個過程中，電流和電壓都非常大，消耗的瞬時功率比開通狀態或關斷狀態大很多倍，甚至要大幾個數量級。而且在開關管在開通和關斷的過程中電壓和電流的變化比較快，波形會出現明顯的過沖現象和振蕩現象，這樣會產出開關噪聲，而這種開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，影響了其他電子器件的正常工作。

1.2 軟開關技術基礎

為了解決硬開關在開關頻率不斷提高而產生的不利影響，人們在這領域中不斷的探索和研究，提出了軟開關功率變換技術，軟開關是相對于硬開關而言的，軟開關過程是通過電感L和電容C的諧振，使開關器件中電流或開關器件兩端電壓按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過零時，使開關器件關斷，當電壓下降到零時，使開關器件導通。

開關管導通時，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區，這就是所謂的零電流導通。開關導通前，使其電壓下降到零，這就是所謂的零電壓導通。導通損耗基本減小到零。如果同時達到上述兩種要求，導通損耗為零。

減小關斷損耗的幾種方法:1）在開關管斷開前，使其電流減小到零，這就是所謂的零電流斷開。斷開損耗基本減小到零；2）在開關管斷開時，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區，這就是所謂的零電壓斷開。如果同時達到上述兩種要求，關斷損耗即為零。

2 裝備新型無源軟開關變換器仿真

2.1 仿真軟件的介紹與選擇

IsSpice是美國 Intusoft公司推出的一種商業仿真軟件，是ICAP/4軟件集成系統的重要組成部分。ICAP/4軟件集成系統主要由 SpiceNet、PreSPice、InSpice和 IntuScope四大功能模塊組成。ICAP/4的工作流程是：首先進入SpiceNet繪制電路圖，并生成相應的 Netlist文件，然后執行 IsSpice仿真軟件模塊，在仿真之前系統將自動連接 PreSpice仿真資料庫中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析處理模塊對仿真模型進行分析處理。

PSPICE則是由美國Microsim公司在SPICE 2G版本的基礎上升級并用于PC機上的SPICE版本，其中采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。 1998年著名的EDA商業軟件開發商ORCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE產品正式并入ORCAD公司的商業EDA系統中。

Saber是美國Analogy公司開發并于1987年推出的模擬及混合信號仿真軟件，被譽為全球最先進的系統仿真軟件，也是唯一的多技術、多領域的系統仿真產品。Analogy公司在機電一體化和電力電子設計、分析方面居世界領先地位，其產品廣泛應用于電力、電子、航空、運輸、家用電器及軍事等領域。與傳統仿真軟件不同，Saber在結構上采用硬件描述語言（MAST）和單內核混合仿真方案，并對仿真算法進行了改進，使 Saber仿真速度更快、更加有效、應用也越來越廣泛。應用工程師在進行系統設計時，建立最精確、最完善的系統仿真模型是至關重要的。

目前，美國Analogy公司與浙江大學電力電子應用技術國家工程研究中心合作成立了Analogy亞洲系統仿真中心（ZASC），一方面為亞太地區 Saber用戶提供技術支持和技術服務，另一方面也承接電力電子、機電一體化和混合技術的系統仿真、計算機輔助設計項目，并為企業培養系統仿真工程技術人才。

圖1 Saber仿真實例Fig.1 Simulation example

2.2 Multisim仿真軟件介紹

Multisim是美國國家儀器 （NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。

圖2 Multisim仿真實例Fig.2 Multisim simulation example

選擇應用Multisim仿真軟件進行仿真，是因為它整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的。它具有以下特點：

1）直觀的圖形界面

整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的。

2）豐富的元器件

提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創建模型等功能，創建自己的元器件。

3）強大的仿真能力

以SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。

4）豐富的測試儀器

提供了22種虛擬儀器，如萬用表、函數信號發生器進行電路動作的測量.這些儀器的設置和使用與真實的一樣，動態互交顯示。除了Multisim提供的默認的儀器外，還可以創建LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環境中可以靈活地可升級地測試、測量及控制應用程序的儀器。

2.3 電路仿真條件與波形

2.3.1 軟開關電路仿真參數

基于上一章的電路拓撲和參數分析，電路參數配置如下（所有器件均為理想器件）：

輸入：DC Vin=200 V；輸出：DC V0=400 V；

變換器開關頻率：f=20 kHz；輸出功率P=5 kW

輸入濾波電感：L0=5 000μH；輔助諧振電感：L1=3μH；

輸出濾波電容：C0=2 000μF；主諧振電容：C1=20 nF；輔助諧振電容：C2=1μF；

負載電阻：R0=40Ω；占空比D=0.5；

2.3.2 軟開關仿真電路

為了方便測量主要器件的電流波形，試驗中在對應的支路中加入了R=1 mΩ的電阻，通過測量流過電阻的電壓，應用公式i=VR可知：對于電阻器件來說，電流i與電壓V服從線性關系，即可求得電流的波形。利用雙通道示波器分別測量開關管S1，D0在關斷、開通時電流、電壓仿真波形的電路如圖4所示。輸出整流二極管D0在關斷、開通時電流、電壓仿真波形的電路如圖5所示。

對于圖4和圖5中電流的測量，因額外加入了電流測量電阻R1，對系統會有一定影響，但是相對于輸入輸出電壓、其它器件來說1 mΩ電阻對電路產生的影響不大。

2.3.3 軟開關仿真波形

軟開關仿真波形如圖6，7所示。

圖3 軟開關仿真電路電壓測量拓撲Fig.3 Voltage measurement topology of soft switch circuit simulation

圖4 軟開關仿真電路S1電壓、電流測量拓撲Fig.4 Soft switch circuit simulation S1 voltage，current measurement topology

圖5 軟開關仿真電路D0電壓、電流測量拓撲Fig.5 Soft switch circuit simulation D0 voltage，current measurement topology

3 結 論

圖6 S1開通和關斷時的電流和電壓波形圖Fig.6 S1 on and off of the switch current and voltage waveform

圖7 D0開通和關斷時的電流和電壓波形圖Fig.7 D0 on and off of the switch current and voltage waveform

對于實驗波形分析可以看到開關管和輸出整流二極管沒有電壓和電流尖峰，并且d i/d t，d v/d t小，減小了開關管的電壓和電流應力，解決了輸出二極管的反向恢復問題。開關的電壓和電流運行于電壓軸和電流軸，所以開關器件在零電壓或零電流的條件下開通和關斷，即S1為ZCS開通、ZVS關斷，Do為ZCS開通、ZVS關斷。實驗結果與前面的理論分析結果相一致。

[1]趙建統，薛紅兵，梁樹坤.談當今電源產業及電源技術的發展趨勢.[EB/OL].http://www.168power.com/bbs/show.asp?id=50.

[2]阮新波，嚴仰光.直流變換器的軟開關技術[M].北京：科學出版社，2000.

[3]李金鵬，尹華杰.軟開關技術在直流開關電源中的應用及其發展[J].電源世界，2004（4）:27-33.LI Jin-peng，YIN Hua-jie.Review on soft-switching technique and its development in DC/DC power supply[J].The World of Power Supply，2004（4）:27-33.

[4]王聰.軟開關功率變換器及其應用[M].北京：科學出版社，2000.

[5]王聰.軟性開關逆變電路及其應用[M].北京：機械工業出版社，1993.

[6]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

[7]姚剛.Boost型功率變流器有源軟開關拓撲技術研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[8]屈旭光.一種最小電壓應力的無源無損軟開關技術研究[D].北京：中國中國科學院研究院，2004.