摘 要： 研究新型ZCS-PWM Buck变换器，通过电感和电容的谐振使流过功率开关管的电流呈正弦波形，为开关管提供了零电流开关条件。提出将分立的谐振电感和滤波电感集成在同一个平面磁芯上。理论分析和仿真结果证明了该方案的正确性和可行性。
关键词： 谐振；磁集成；耦合系数
谐振软性开关由美国弗吉尼亚理工大学电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DC/DC变换器[1]。而软开关变换器的实现却是惯用的分立元件，由此引发了很多问题：(1)分立元件存在寄生参数可直接影响变换器的高频性能；(2)对一个分立软开关变换器的不同元件类型、尺寸、大小等因数的考虑及元件间的相互连接与连接的空隙等问题，都将导致空间利用率的降低。因此，为了提高软开关变换器的高频特性，并且保证变换器的低造型、高效率和低成本，本文提出采用平面磁集成技术对软开关变换器中的磁性元件进行平面磁集成。仿真结果表明本文提出的基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck变换器具有可行性和优越性。
1 变换器工作原理
基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck变换器电路如图1所示，其中Lr为谐振电感、Lf为滤波电感、Cr为谐振电容、Cf为滤波电容。假设所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件。则Lf≥Lr，在一个开关周期中Lf足够大，滤波电容Cf也足够大，其电流If保持不变，可近似看作为输出电流I0。该变换器在一个周期内的电路工作波形如图2所示，正向耦合时，在一个周期内变换器可以分为以下6种工作模式[2]。
1.5 工作模式5
在t5时刻，vGr衰减到0 V。谐振电容Cr在输出电流I0的作用下线性放电。
1.6 工作模式6
在vGr衰减到零之后续流二极管D1续流，在这个时间内关断Q2为零电流关断。在t6时刻零电流开通Q1，开始下一周期。
反向耦合的工作原理和正向耦合的工作原理类似，只要将上述各开关模态表达式中的M替换为-M即可。
2 集成磁件设计
2.1 松、紧耦合方式的选择
电感的耦合可以分为紧耦合和松耦合两种方式。紧耦合方式集成时，中柱开气隙，两侧柱无气隙，谐振电感和滤波电感的平面绕组共同绕在中柱上，以使磁通紧密地耦合。另外，采用这种磁件结构时，由于两侧柱无气隙，一方面其机械结构特性比较稳定，另一方面散在磁件外部的漏磁通较少、电磁干扰小。而松耦合方式集成时，磁柱都要开气隙，造成机械结构不稳定，其次平面绕组分别绕在两个柱住上，增大了磁性器件的体积。比较松、紧耦合两种方式，本文中谐振电感和滤波电感都采用紧耦合方式集成。
由图可见，正向耦合时磁通比反向耦合的值大，容易引起铁芯的饱和。因此，谐振电感和滤波电感的集成方式选择反向耦合，利用磁芯的中柱开气隙，以防止铁芯饱和。
式中Ts为开关周期。
在上面讨论过的6个周期中，vD1的值如表1所示。
谐振周期Tr与耦合系数k、输出电压vo与耦合系数k的仿真结果分别如图4、图5所示。
在图4中谐振电感中电流的周期随着耦合系数的增大而减小。在图5中输出电压随耦合系数的增大而减小。仿真结果与理论推导一致，证明该集成方法的可行性和优越性。
新型ZCS―PWM Buck变换器在满足主开关管和辅助开关管都可实现零电流开通和零电流关断的条件下，将谐振电感和滤波电感集成在同一个平面磁芯上，不仅能够减小软开关变换器的体积、重量，提高其功率密度，而且能实现开关电源的“短、小、轻、薄”。通过合理的设计还可以降低器件的损耗和电压、电流应力，减小开关电源的输出电流和电压纹波，改善电源的动态性能，从而为实现电力电子系统集成提供技术支持。
参考文献
[1] 阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2000.
[2] 蔡宣三，龚邵文.高频功率电子学(第1版)[M].北京：科学出版社,1993.
[3] 杨玉岗.现代电力电子的磁技术[M].北京：科技出版社，2003.
[4] 王聪.软开关功率变换器及其应用[M].北京：科学出版社，2000.
