Buck电路的软开关设计和仿真-本科毕业论文

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重庆大学本科学生毕业设计（论文）中文摘要I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仿真重庆大学本科学生毕业设计（论文）ABSTRACTIIABSTRACTIntoday'senergy-savingtypesociety,howtoimprovetheefficiencyofpowersupplybecomesanimportantaspectofpowertechnologyresearch.Inearlypowersupplyresearchtimeshardswitchingtechnologywasadopted.Theswitching-onorswitching-offprocessaccompaniedwithgreatloss,andthehigherswitchingthefrequencyis,thegreatertheswitchinglossis.Thehighoperatingfrequencyisanimportantwaytoreducethevolume,sothehardswitchingtechnologydoesn'tsuitit.Thenthesoftswitchingtechnologyappears.Itisagoodmethodtosolvethehighoperatingfrequencyandimprovingtheefficiencyproblem.ThisarticlepresentsasoftswitchingmethodoftheBuckconverterwhichusestheNchannelenhancementtypeMOSFETastheswitchandthesimulation.ThedesignisquasiresonantcharginganddischargingmodewhichmakestheD-Svoltagebecomezerobeforethegatetriggerpulsecome,sotheMOSFETcanoperateinazerovoltageturn-onmode.Inthisway,itcaneffectivelyrealizethesoftswitchingofBuckconverterandimprovetheefficiencyofthecircuit.FinallyIusethesabersoftwaretodothesimulationandreceivetheexpectedresult.Afterthat,consideringthereverseslipoutputinductorcurrentproblemwhichmakestheoutputcurrentripplelarge,Ipresentanothermethodwhichcanavoidtheproblem.Keywords：Buckconverter,softswitching,sabersimulation重庆大学本科学生毕业设计（论文）目录II目录摘要...................................................IABSTRACT..................................................II1绪论....................................................11.1研究背景..............................................................................................................................11.2研究的目的及意义..............................................................................................................11.3研究的主要内容..................................................................................................................22Buck电路软开关电路设计及原理分析.......................32.1Buck电路软开关设计方案.................................................................................................32.2原理分析..............................................................................................................................52.3参数计算与设置..................................................................................................................93Saber仿真验证.........................................103.1Saber仿真软件的组成.....................................................................................................103.2Saber仿真软件的特征.....................................................................................................103.3Saber的分析功能................................................................................错误!未定义书签。3.4Buck电路软开关仿真验证..................................................................错误!未定义书签。4Buck电路软开关的改进设计方案..........................124.1改进型电路原理分析........................................................................................................244.2改进型电路参数计算与设置............................................................................................245改进型电路Saber仿真验证...............................26结论......................................................33致谢......................................................34参考文献..................................................35重庆大学本科学生毕业设计（论文）1绪论11绪论1.1研究背景现代电力电子装置的发展趋势是集成化，轻量化和小型化，同时对装置的电磁兼容性和效率有更高要求[1]。一般情况下，滤波电感、变压器和电容在装置中占有很大比例。通过将开关频率提高的途径可以减少滤波器的参数，使变压器小型化，从而有效地降低装置的重量和体积，所以将电路高频化是使得装置小型化、轻量化的最直接途径[2]。但随之而产生的是开关损耗随之增加，电路效率大幅下降，增大电磁干扰，所以简单地提高开关频率是行不通的。而软开关技术的出现将会解决这一问题，它能够解决开关损耗和噪声的问题，大幅提高开关频率。自从软开关技术出现之后，经历了发展期和完善期，软开关电路也是层出不穷，迄今为止，各式各样的软开关拓扑仍不断涌现[3]。近年来国内外出现了许多软开关的方法，比如准谐振DC/DC变换器，多谐振DC/DC变换器，ZCS/ZVSPWMDC/DC变换器，ZCT/ZVTPWMDC/DC变换器等，这些技术都能在不降低效率的情况下提高变换器的工作频率。这些软开关电路，一般是在常规电路上增加谐振回路，利用谐振，使开关器件两端的电压或流过的电流呈准正弦波形，这样可以为开关管的零电压导通或零电流关断创造条件，从而将软开关实现，减小开关管的损耗与噪音。1.2研究的目的及意义硬开关技术应用于早期的开关电路中。较大的损耗会出现在开通或关断过程中。硬开关技术有以下几个主要问题[3]：①开关损耗问题：在开关管开通关断过程出现电流和电压重叠，造成开关损耗；②感性关断问题：严重的电压尖峰会出现在电路中的寄生电感在高频工作时；③容性开通问题：严重的浪涌电流会出现在电路中的寄生电容在高频工作时；④二极管的反向恢复问题；二极管存在反向恢复期，立即开通与其串联的开关管，则易造成瞬时短路。所以，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。要使得芯片更加集成化，就必须使得其更加高频化，而如果高频化的过程中，开关损耗以倍数同时增大的话，就会让其效率显得非常不合需求。开关器件在传统的设计中一般需要较大容量并增加复杂的吸收电路[4]，加之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。当前电源产品追求的目标是轻小化，于是软开关技术就应运而生。而本课题通过合理的设计，应用软开关技术，能够有效减小开关损耗问题，重庆大学本科学生毕业设计（论文）1绪论2从而提高开关频率。在理论上的成功实现后，经过进一步的加工，便能得到在实际生产中的应用，为国家的产业节能，为社会做出应有的贡献。1.3研究的主要内容Buck电路又叫降压斩波器，降压变换器输入电压Uin总是大于输出电压平均值Uo。Buck电路有两种工作模式：连续导电模式：稳态工作时，每个周期内iL一直大于0；断续导电模式：稳态工作时，每个周期内iL有一段时间为0。通常Buck电路工作于哪种模式取决于开关频率f、滤波电感的值L。开关频率高，可以用更小的电感来滤除高次谐波，因此面积可以做的很小。比如手机的Buck电路，开关频率都上M。本文实现了Buck电路的一种软开关，利用电感电流反向的