采用平面磁集成技术设计新型ZCS―PWM Buck变换器

目前电源产品都是朝着频率高、体积小、重量轻的方向发展，对高效单片集成 DC-DC 变换器有着广泛的需求。随着微电子制作工艺水平的提高，将有源元件和分立的磁性元件全部集成到一个芯片上的单片 DC-DC 变换器已成为可能。为减小无源元件的尺寸，变换器需工作在较高的开关频率下，而这必然引起开关损耗的增大，效率降低。故采用软开关技术可减少开关损耗，提高效率，但会增加电路设计的复杂性以及增加了谐振电容和谐振电感这些无源元件。为此，采用平面磁集成技术即采用平面磁件将变换器中增加的谐振电感和原变换器中的主要磁性器件（如滤波电感等）从结构上集中到一起，即用一个磁性器 件来实现，进而减少磁性元件的数量，减小体积，提高功率密度。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

变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交-交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。

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。

 

 

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。