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【摘 要】开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。针对传统的硬开关电源开关损耗大、工作频率低的问题，提出了一种ZVT-PWM BOOST变换器，通过采用辅助开关T1和谐振电路使主开关在零电压下启动，降低开关损耗，提高开关频率。设计过程中通过MATLAB/Simulink软件对主电路进行仿真，调整优化相关的参数，得到理想的输出电压波形图，仿真结果表明该设计的可行性和正确性。
【关键词】开关电源；ZVT-PWM；软开关；MATLAB
【Abstract】Switching power supply with respect to linear power supply efficiency， size， weight， and other advantages， especially high-frequency switching power supplies are getting lighter， smaller， more efficient， and more reliable， which makes high-frequency switching power supplies has become the most widely used power. This design for the traditional hard switch power switch problem of low loss， high operating frequency， ZVT-PWM BOOST converter is proposed， through the use of auxiliary switch T1 and resonant circuit main switch start at zero voltage， reduce the switching losses， increase switching frequencies.Design process simulation by MATLAB/Simulink software for primary circuit， adjust parameters to obtain the desired output waveform， the analysis of the matlab results proves the its feasibility and validity .
【Key words】Switching power supply；ZVT-PWM；soft switch；MATLAB
1.绪论
在电力电子器件中，磁性元件占总体的质量和体积的比例最大，如变压器、电感器、电容等。在硬开关的状态下，开关的损耗和频率成正比，开关频率增大，开关的损耗也会随之增大，电磁的干扰强度增加。引入辅助谐振电路，使主开关管在ZVT状态下开通，在ZVS状态下关断，有效降低开关的损耗和噪声，减小电磁干扰。
软开关技术的目的就是要实现开关管的软开通和软关断，软开通就是利用谐振电路，使得开关导通前，开关两端的电压先降为零，电流再慢慢升为导通值，避免了电的交叠，很大幅度的减小了开通损耗。另外寄生电容中的能量也可以通过辅助电路耗散，避免了容性开通问题。软关断就是利用谐振电路，先把电流降为零，电压在慢慢升到断态值，同样避免了电流电压的交叠，减小了关断损耗，降低了感性关断带来的影响。
为了提高电源转换效率，降低电源电路本身对能量的损耗，本文从软开关技术入手，以ZVT-PWM BOOST变换器作为分析对象，运用MATLABsimulink 仿真软件设计一个高效率的开关电源。
2.ZVT-PWM BOOST变换器基本原理与特性分析
2.1 ZVT-PWM BOOST变换器基本原理
零电压转换PWM电路的基本思路是给主开关并联一个缓冲电容，限制主开关导通时的电压上升率。在主开关导通前，要将缓冲电容的电压降。到零，从而实现主开关的零电压开通。要使缓冲电容释放电荷，需要添加一个辅助电路，先于主开关前导通。
零电压转换PWM BOOST电路的原理如图1所示。在基本的BOOST变换器电路基础上，加入了电感Lr、电容Cr、辅助开关T1、辅助二极管D2。形成的辅助谐振电路与主开关管T并联，构成零电压PWM开关基本拓扑电路。
在分析中，假设电路中的原件都为理想原件，忽略元件与线路中的损耗。电感L足够大，因此可以忽略电流波动，在一个开关周期中认为为恒值；电容C也很大，因此在一个开关中期中认为输出电压为恒值。
在ZVT-PWM BOOST电路中，辅助开关先开通，而主开关T开通后辅助开关就关断了。谐振电路的震荡过程都是集中于开关T导通前后的时间段。
下面分阶段介绍变换器的工作过程，其主要波形如图2所示：
以前，开关T、均处于断态，升压二极管D导通，此时由输出电容C给负载供电，有，。
期间：时刻，导通，T处于断态，由于此时二极管D仍然处于通态，电感两端的电压变为，电流按线性迅速增长，电流以同样的速度线性下降。直到时刻，上升到，下降到零使得二极管D自然关断。在实际电路结构中，会出现二极管反向恢复的问题，其原因是二极管的结电荷需要时间来进行放电。
期间：与组成谐振回路，由于L很大，忽略谐振过程中其电流变化。谐振过程中的电流增加，中的电压下降，时刻=0，开关T的反并联二极管导通，被钳位于零，而电流上升到最大值并保持不变。
期间：在该阶段开始时，被钳位于零，电感上的电压为零，因此电流自由轮回，电流保持不变，这种状态一直保持T的零电压开通开通。 期间：在时刻，UC3842A/B检测到T的漏极电压为零，T在零电压状态下开通，所以没有开关损耗。T开通的同使关断，线性下降，中的能量通过向负载传送，而主开关T中的电流线性上升。在t4时刻，刚好下降到零使得二极管关断，主开关中的电流上升到，电路进入正常导通状态。
期间：在时刻，中的电流下降到零，实际电路中与正极节点上的电容发生谐振。在时刻T关断，T关断时电压会升上升，有效限制了其电压上升率，降低了关断损耗。
期间：T关断后，电源给充电，线性上升。直到时刻上升到，主二极管D导通并开始向负载传送能量，到时刻介绍并进入下一个开关周期。
2.2 变换器损耗分析
对于一般的硬开关转换器，开关导通时会产生电流与电压交叠，形成开通损耗。此外开关管存在寄生电容，其在放电过程中会产生容性开通损耗。而在改进的零电压转换电路中，主开关管是在零电压状态下开通，因此不存在硬开关导通时的两种开通损耗。传统的硬开关变换器，关断过程中同样存在电流下降的延迟和电压上升的过快形成交叠，存在关断损耗。而在改进的零电压转换变换器电路中，开关管两端并联的谐振电容，有效降低开关器件关断后的电压上升率，所以功率开关的关断损耗很小。零电压PWM变换器拓扑实现开关管的零电压开通和零电流关断，还实现了二极管的软关断，消除了开关管的开通损耗，并且降低了开关管和二极管的关断损耗。但是，通过加入辅助谐振电路开关损耗的同时，也增加了辅助谐振电路的通态损耗和开关损耗。因此只有权衡总损耗是否有效的被降低，软开关带来的作用才有实际意义。
2.2.1开关管的开关损耗
MOSFET的开关损耗主要由两个方面引起的，一个是容性开通损耗，另一个是电压和电流的交叠损耗。由于场效应管的漏源电容很大，而且导通时并联的电容中储存得有能量，并耗散到N沟道中，产生容性开通损耗。
2.2.3电路中辅助换流网络带来的损耗
辅助开关的开关损耗
辅助开关有效的降低了主开关的开关损耗，实现主开关的零电压启动，但是辅助管的开断却是硬性的，存在开通损耗。另外辅助开关一般不并联吸收电容，因此不应忽略其关断损耗。
辅助电路可以去除主开关管的开通损耗，然而却带来了辅助换流电路的其他损耗。因此设计电路元件参数时，需要保证主开关损耗小于辅助换流电路的损耗，才能达到提高电路的总效率的效果，软开关电路才具有实际意义。
根据初步分析，可用知道谐振电容的增大会使辅助电路的总损耗增加，因此选择谐振电容值时不宜过大，另外谐振电感的值也影响辅助换流电路的损耗大小。电感的值越高，输出纹波电流越小，相反纹波电流就越大，由于纹波电流是磁芯损耗的决定因素。因此在设计时，电感应取合适的值，而电容的取值应尽可能小。
3.主电路参数设计3.2 输出滤波电容C设计
设计输出电压的纹波小于200mV，另外决定输出滤波电容大小因素是其输出保持时间。现主要考虑保持时间，且输出的电流不小于3A，则滤波电容C可由下式求出：
5.结论
根据仿真波形得出以下几点结论：
5.1由波形图可以看出，仿真结果与理论相符合，但也有部分细小区别，比如仿真输出电压比理论输出电压偏高。
5.2对比第3、4、5和8个波形图中可以看出，在导通时呈线性上升，二极管D中电流线性下降，一段时间后，二极管电流下降到零。谐振电感与电容发生谐振，电容释放能量，电感电流继续上升，直到电容变为零。可以看出，此时主开关管两端的电压为零，主开关管启动时是在零电压状态下启动。且主开关电流上升较软，电路开通损耗近似为零。
5.3从辅助开关的波形可以看出，辅助开关的通断都在硬开关状态下，存在开关损耗，对电路的转换效率存在影响。因此本次设计仍然有需要改进的地方，以使辅助开关同样实现软开关。
5.4输出电压比理想电压偏高，初步分析其原因在于，谐振电感上的能量通过传输到负载端，使得输出端的电压相对偏高。其次，整个电路设计的带载能力有待提高。
参考文献：
[1] D. K. Min Direct digital Current Control of a Three-phase PWM Converter Based on a New Control Model with a Delay and SVPWM Effects. Annual Conference of the IEEE Industry Electronics Society， 1998，2：774-779.
[2] 刘胜利.现代高频外关电源实用技术[M].北京电子工业出版社.2001.9月356-369.
[3] Yoon-Ho Kim Member IEEE， Yun-Bok Kim， Yong-Hyun Cho. A High Performance ZVT-PWM Boost Rectifierwith Soft Switched Auxiliary Switch.2008 IEEE.798-801.
[4] 杨旭，王兆安.零电压过渡PWM 软开关电路损耗的计算[J].电力电子技术，1999，1：29-32.
[5] 刘万强，张代润，黄念慈.全软开关Boost ZVT-PWM变换器[J].四川大学学报（工程科学版），2002，32（3）：24-26.
[6] Kwang-Hwa Liu and Fred C.Y.Lee，“Zero-VoltageSwitching Technique in DC/DC Converters，” IEEE Trans. on P.E.， vol. 5，No.3， pp.293-304，July 1990.
[7] Guichao Hua and Fred C.Lee，“Soft-Switching Techniques in PWM Converters，”IEEE IECON，1993，pp.637-643.
项目：南昌工程学院大学生科研训练计划20141047；南昌工程学院大学生创新创业训练计划（国家级）201311319014。
【关键词】开关电源；ZVT-PWM；软开关；MATLAB
【Abstract】Switching power supply with respect to linear power supply efficiency， size， weight， and other advantages， especially high-frequency switching power supplies are getting lighter， smaller， more efficient， and more reliable， which makes high-frequency switching power supplies has become the most widely used power. This design for the traditional hard switch power switch problem of low loss， high operating frequency， ZVT-PWM BOOST converter is proposed， through the use of auxiliary switch T1 and resonant circuit main switch start at zero voltage， reduce the switching losses， increase switching frequencies.Design process simulation by MATLAB/Simulink software for primary circuit， adjust parameters to obtain the desired output waveform， the analysis of the matlab results proves the its feasibility and validity .
【Key words】Switching power supply；ZVT-PWM；soft switch；MATLAB
1.绪论
在电力电子器件中，磁性元件占总体的质量和体积的比例最大，如变压器、电感器、电容等。在硬开关的状态下，开关的损耗和频率成正比，开关频率增大，开关的损耗也会随之增大，电磁的干扰强度增加。引入辅助谐振电路，使主开关管在ZVT状态下开通，在ZVS状态下关断，有效降低开关的损耗和噪声，减小电磁干扰。
软开关技术的目的就是要实现开关管的软开通和软关断，软开通就是利用谐振电路，使得开关导通前，开关两端的电压先降为零，电流再慢慢升为导通值，避免了电的交叠，很大幅度的减小了开通损耗。另外寄生电容中的能量也可以通过辅助电路耗散，避免了容性开通问题。软关断就是利用谐振电路，先把电流降为零，电压在慢慢升到断态值，同样避免了电流电压的交叠，减小了关断损耗，降低了感性关断带来的影响。
为了提高电源转换效率，降低电源电路本身对能量的损耗，本文从软开关技术入手，以ZVT-PWM BOOST变换器作为分析对象，运用MATLABsimulink 仿真软件设计一个高效率的开关电源。
2.ZVT-PWM BOOST变换器基本原理与特性分析
2.1 ZVT-PWM BOOST变换器基本原理
零电压转换PWM电路的基本思路是给主开关并联一个缓冲电容，限制主开关导通时的电压上升率。在主开关导通前，要将缓冲电容的电压降。到零，从而实现主开关的零电压开通。要使缓冲电容释放电荷，需要添加一个辅助电路，先于主开关前导通。
零电压转换PWM BOOST电路的原理如图1所示。在基本的BOOST变换器电路基础上，加入了电感Lr、电容Cr、辅助开关T1、辅助二极管D2。形成的辅助谐振电路与主开关管T并联，构成零电压PWM开关基本拓扑电路。
在分析中，假设电路中的原件都为理想原件，忽略元件与线路中的损耗。电感L足够大，因此可以忽略电流波动，在一个开关周期中认为为恒值；电容C也很大，因此在一个开关中期中认为输出电压为恒值。
在ZVT-PWM BOOST电路中，辅助开关先开通，而主开关T开通后辅助开关就关断了。谐振电路的震荡过程都是集中于开关T导通前后的时间段。
下面分阶段介绍变换器的工作过程，其主要波形如图2所示：
以前，开关T、均处于断态，升压二极管D导通，此时由输出电容C给负载供电，有，。
期间：时刻，导通，T处于断态，由于此时二极管D仍然处于通态，电感两端的电压变为，电流按线性迅速增长，电流以同样的速度线性下降。直到时刻，上升到，下降到零使得二极管D自然关断。在实际电路结构中，会出现二极管反向恢复的问题，其原因是二极管的结电荷需要时间来进行放电。
期间：与组成谐振回路，由于L很大，忽略谐振过程中其电流变化。谐振过程中的电流增加，中的电压下降，时刻=0，开关T的反并联二极管导通，被钳位于零，而电流上升到最大值并保持不变。
期间：在该阶段开始时，被钳位于零，电感上的电压为零，因此电流自由轮回，电流保持不变，这种状态一直保持T的零电压开通开通。 期间：在时刻，UC3842A/B检测到T的漏极电压为零，T在零电压状态下开通，所以没有开关损耗。T开通的同使关断，线性下降，中的能量通过向负载传送，而主开关T中的电流线性上升。在t4时刻，刚好下降到零使得二极管关断，主开关中的电流上升到，电路进入正常导通状态。
期间：在时刻，中的电流下降到零，实际电路中与正极节点上的电容发生谐振。在时刻T关断，T关断时电压会升上升，有效限制了其电压上升率，降低了关断损耗。
期间：T关断后，电源给充电，线性上升。直到时刻上升到，主二极管D导通并开始向负载传送能量，到时刻介绍并进入下一个开关周期。
2.2 变换器损耗分析
对于一般的硬开关转换器，开关导通时会产生电流与电压交叠，形成开通损耗。此外开关管存在寄生电容，其在放电过程中会产生容性开通损耗。而在改进的零电压转换电路中，主开关管是在零电压状态下开通，因此不存在硬开关导通时的两种开通损耗。传统的硬开关变换器，关断过程中同样存在电流下降的延迟和电压上升的过快形成交叠，存在关断损耗。而在改进的零电压转换变换器电路中，开关管两端并联的谐振电容，有效降低开关器件关断后的电压上升率，所以功率开关的关断损耗很小。零电压PWM变换器拓扑实现开关管的零电压开通和零电流关断，还实现了二极管的软关断，消除了开关管的开通损耗，并且降低了开关管和二极管的关断损耗。但是，通过加入辅助谐振电路开关损耗的同时，也增加了辅助谐振电路的通态损耗和开关损耗。因此只有权衡总损耗是否有效的被降低，软开关带来的作用才有实际意义。
2.2.1开关管的开关损耗
MOSFET的开关损耗主要由两个方面引起的，一个是容性开通损耗，另一个是电压和电流的交叠损耗。由于场效应管的漏源电容很大，而且导通时并联的电容中储存得有能量，并耗散到N沟道中，产生容性开通损耗。
2.2.3电路中辅助换流网络带来的损耗
辅助开关的开关损耗
辅助开关有效的降低了主开关的开关损耗，实现主开关的零电压启动，但是辅助管的开断却是硬性的，存在开通损耗。另外辅助开关一般不并联吸收电容，因此不应忽略其关断损耗。
辅助电路可以去除主开关管的开通损耗，然而却带来了辅助换流电路的其他损耗。因此设计电路元件参数时，需要保证主开关损耗小于辅助换流电路的损耗，才能达到提高电路的总效率的效果，软开关电路才具有实际意义。
根据初步分析，可用知道谐振电容的增大会使辅助电路的总损耗增加，因此选择谐振电容值时不宜过大，另外谐振电感的值也影响辅助换流电路的损耗大小。电感的值越高，输出纹波电流越小，相反纹波电流就越大，由于纹波电流是磁芯损耗的决定因素。因此在设计时，电感应取合适的值，而电容的取值应尽可能小。
3.主电路参数设计3.2 输出滤波电容C设计
设计输出电压的纹波小于200mV，另外决定输出滤波电容大小因素是其输出保持时间。现主要考虑保持时间，且输出的电流不小于3A，则滤波电容C可由下式求出：
5.结论
根据仿真波形得出以下几点结论：
5.1由波形图可以看出，仿真结果与理论相符合，但也有部分细小区别，比如仿真输出电压比理论输出电压偏高。
5.2对比第3、4、5和8个波形图中可以看出，在导通时呈线性上升，二极管D中电流线性下降，一段时间后，二极管电流下降到零。谐振电感与电容发生谐振，电容释放能量，电感电流继续上升，直到电容变为零。可以看出，此时主开关管两端的电压为零，主开关管启动时是在零电压状态下启动。且主开关电流上升较软，电路开通损耗近似为零。
5.3从辅助开关的波形可以看出，辅助开关的通断都在硬开关状态下，存在开关损耗，对电路的转换效率存在影响。因此本次设计仍然有需要改进的地方，以使辅助开关同样实现软开关。
5.4输出电压比理想电压偏高，初步分析其原因在于，谐振电感上的能量通过传输到负载端，使得输出端的电压相对偏高。其次，整个电路设计的带载能力有待提高。
参考文献：
[1] D. K. Min Direct digital Current Control of a Three-phase PWM Converter Based on a New Control Model with a Delay and SVPWM Effects. Annual Conference of the IEEE Industry Electronics Society， 1998，2：774-779.
[2] 刘胜利.现代高频外关电源实用技术[M].北京电子工业出版社.2001.9月356-369.
[3] Yoon-Ho Kim Member IEEE， Yun-Bok Kim， Yong-Hyun Cho. A High Performance ZVT-PWM Boost Rectifierwith Soft Switched Auxiliary Switch.2008 IEEE.798-801.
[4] 杨旭，王兆安.零电压过渡PWM 软开关电路损耗的计算[J].电力电子技术，1999，1：29-32.
[5] 刘万强，张代润，黄念慈.全软开关Boost ZVT-PWM变换器[J].四川大学学报（工程科学版），2002，32（3）：24-26.
[6] Kwang-Hwa Liu and Fred C.Y.Lee，“Zero-VoltageSwitching Technique in DC/DC Converters，” IEEE Trans. on P.E.， vol. 5，No.3， pp.293-304，July 1990.
[7] Guichao Hua and Fred C.Lee，“Soft-Switching Techniques in PWM Converters，”IEEE IECON，1993，pp.637-643.
项目：南昌工程学院大学生科研训练计划20141047；南昌工程学院大学生创新创业训练计划（国家级）201311319014。