文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)12-0072-03
諧振軟性開關由美國弗吉尼亞理工大學電力電子中心李澤元教授首先提出并應用于DC/DC變換器[1]。而軟開關變換器的實現卻是慣用的分立元件，由此引發了很多問題：(1)分立元件存在寄生參數可直接影響變換器的高頻性能；(2)對一個分立軟開關變換器的不同元件類型、尺寸、大小等因數的考慮及元件間的相互連接與連接的空隙等問題，都將導致空間利用率的降低。因此，為了提高軟開關變換器的高頻特性，并且保證變換器的低造型、高效率和低成本，本文提出采用平面磁集成技術對軟開關變換器中的磁性元件進行平面磁集成。仿真結果表明本文提出的基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck變換器具有可行性和優越性。
1 變換器工作原理
基于磁集成的新型ZCS-PWM Buck變換器電路如圖1所示，其中Lr為諧振電感、Lf為濾波電感、Cr為諧振電容、Cf為濾波電容。假設所有開關管、二極管、電感、電容均為理想器件。則Lf≥Lr，在一個開關周期中Lf足夠大，濾波電容Cf也足夠大，其電流If保持不變，可近似看作為輸出電流I0。該變換器在一個周期內的電路工作波形如圖2所示，正向耦合時，在一個周期內變換器可以分為以下6種工作模式[2]。
1.5 工作模式5
在t5時刻，vGr衰減到0 V。諧振電容Cr在輸出電流I0的作用下線性放電。
1.6 工作模式6
在vGr衰減到零之后續流二極管D1續流，在這個時間內關斷Q2為零電流關斷。在t6時刻零電流開通Q1，開始下一周期。
反向耦合的工作原理和正向耦合的工作原理類似，只要將上述各開關模態表達式中的M替換為-M即可。
2 集成磁件設計
2.1 松、緊耦合方式的選擇
電感的耦合可以分為緊耦合和松耦合兩種方式。緊耦合方式集成時，中柱開氣隙，兩側柱無氣隙，諧振電感和濾波電感的平面繞組共同繞在中柱上，以使磁通緊密地耦合。另外，采用這種磁件結構時，由于兩側柱無氣隙，一方面其機械結構特性比較穩定，另一方面散在磁件外部的漏磁通較少、電磁干擾小。而松耦合方式集成時，磁柱都要開氣隙，造成機械結構不穩定，其次平面繞組分別繞在兩個柱住上，增大了磁性器件的體積。比較松、緊耦合兩種方式，本文中諧振電感和濾波電感都采用緊耦合方式集成。
由圖可見，正向耦合時磁通比反向耦合的值大，容易引起鐵芯的飽和。因此，諧振電感和濾波電感的集成方式選擇反向耦合，利用磁芯的中柱開氣隙，以防止鐵芯飽和。
式中Ts為開關周期。
在上面討論過的6個周期中，vD1的值如表1所示。
諧振周期Tr與耦合系數k、輸出電壓vo與耦合系數k的仿真結果分別如圖4、圖5所示。
在圖4中諧振電感中電流的周期隨著耦合系數的增大而減小。在圖5中輸出電壓隨耦合系數的增大而減小。仿真結果與理論推導一致，證明該集成方法的可行性和優越性。
新型ZCS―PWM Buck變換器在滿足主開關管和輔助開關管都可實現零電流開通和零電流關斷的條件下，將諧振電感和濾波電感集成在同一個平面磁芯上，不僅能夠減小軟開關變換器的體積、重量，提高其功率密度，而且能實現開關電源的“短、小、輕、薄”。通過合理的設計還可以降低器件的損耗和電壓、電流應力，減小開關電源的輸出電流和電壓紋波，改善電源的動態性能，從而為實現電力電子系統集成提供技術支持。
參考文獻
[1] 阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術[M].北京：科學出版社，2000.
[2] 蔡宣三，龔邵文.高頻功率電子學(第1版)[M].北京：科學出版社,1993.
[3] 楊玉崗.現代電力電子的磁技術[M].北京：科技出版社，2003.
[4] 王聰.軟開關功率變換器及其應用[M].北京：科學出版社，2000.