软开关同步升降压变换器的研究

摘要：研究了一种软开关同步升降压变换器。该升降压变换器的滤波电感设计得比较小，使得电感上电流可以反向，分别通过正向电流和反向电流对两个同步整流管的结电容进行充放电，为软开关创造奈件。此方法适用于较低压输出、较高功率密度的场合。根据两个开关管实现软开关的条件不同，提出了强管和弱管的概念，给出了满足软开关条件的设计方法。并以一个输入28V、输出20V／3A、开关频率为200kHz的软开关同步升降压变换器的样机进一步验证了上述方法的正确性，其满载效率达到了94．2％
关键词：升降压变换器；软开关；同步整流

0 引言
提高开关频率可以减小电感、电容等储能元件的体积，但是开关频率的提高会增加开关器件的开关损耗。为了解决这个问题，专家提出并发展了软开关技术。一般来说，要实现比较理想的软开关效果，都需要有一个或-个以上的辅助开关为主开关创造软开关的条件。同时希望辅助开关本身也能实现软开关。

升降压变换器作为一种最基本的DC／DC拓扑广泛应用于各种电源产品中。由于升降压只包含一个开关，所以要实现软开关往往要附加很多有源或无源的额外电路，增加r变换器的成本，降低r变换器的可靠性。

升降压变换器除了有一个开关器件外还有一个二极管。在较低压输出的场合，本身就希望用一个MOSPFET来替换二极管(同步整流)，从而获得比较高的效率。如果能利用这个同步开关作为主开关的辅助管，来创造软开关条件，同时本身又能实现软开关，那将是一个比较好的方案。

基于此，本文研究了一种软开关同步升降压变换器。该方案适用于输出电压较低，功率密度较高的场合。

1 工作原理
图1所示的是具有两个开关管的同步升降压变换器。其两个开关互补导通，并设有一定的死区防止共态导通，如图2所示。通常设计中电感上的电流始终为一个方向，如图2中iL波形所示。考虑到开关的结电容以及死区时间，一个周期可以分为5个阶段，各个阶段的等效电路如图3所示。下面简单介绍电感电流不改变方向情况下的同步升降压变换器的工作原理。在这种情况下，S2可以实现软开关，但是S1只能工作在硬开关状态。

1)阶段1[to~t1]S1导通，L上承受输入电压，L上的电流线性增加。在t1时刻，S1关断，该阶段结束。
2)阶段2[tl～t2] S1关断后，电感电流对S1的结电容进行充电，对S2的结电容进行放电，S2的漏源电压可以近似认为线性下降，直到下降到零，该阶段结束。
3)阶段3[t2～t3] 当S2的漏源电压下降到零之后，S2的寄生二极管就导通，将S2的漏源电压箝位在零电压状态，这也就为S2的零电压导通创造了条件。
4)阶段4[t3~t4] t3时刻S2的门极变为高电平，S2零电压开通。电感L上的电流又流过S2。L上承受输出电压，由于该结构的Buck-Boost变换器的输出电压为负，所以电感L上的电流线性减小，直到S2关断，该阶段结束。
5)阶段5[t4-ts] 此时电感L上的电流方向仍然为正，所以，该电流只能转移到S2的寄生二极管上，而无法对S1的结电容进行放电。因此，S1是工作在硬开关状态的。

接着S1导通，进入下一个周期。从以上的分析可以看到，S2实现了软开关，但是S1并没有实现软开关。其原因是S2关断后，电感上的电流方向是正的，无法对S1的结电容进行放电。但是，如果将L设计的足够小，让电感电流在S2关断时为负，如图4所示，就可以对S1的结电容进行放电而实现S1的软开关了。

在这种情况下，一个周期可以分为6个阶段，各个阶段的等效电路如图5所示。其工作原理描述如下。
1)阶段1[to~t1] S1导通，L上承受输入电压，L上的电流正向线性增加，从负值变为正值。在t1．时刻，S1关断，该阶段结束。
2)阶段2[t1~t2]S1关断后，电感电流为正，对S1的结电容进行充电，对S2的结电容放电，S2的漏源电压可以近似认为线性下降，直到下降到零，该阶段结束。
3)阶段3[t2～t3] 当S2的漏源电压下降到零之后，S2的寄生二极管就导通，将S2的漏源电压箝在零电压状态，这就为S2的零电压导通创造了条件。
4)阶段4[t3～t4] t3时刻S2的门极变为高电平，S2零电压开通。电感L上的电流又流过S2。L上承受输出电压，由于该结构的Buck―Boost变换器的输出电压为负，所以电感L上的电流线性减小，直到变为负值，然后S2关断，该阶段结束。
5)阶段5[t4～t3] 此时电感L上的电流方向为负，正好可以对S1的结电容进行放电，对S2的结电容进行充电。S1的漏源电压可以近似认为线性下降，直到下降到零，该阶段结束。
6)阶段6[t5～t6] 当S1的漏源电压下降到零之后，S1的寄生二极管就导通，将S1的漏源电压箝在零电压状态，也就是为S1的零电压导通创造了条件。

接着S1在零电压条件下导通，进人下一个周期。可以看到，在这种方案下，两个开关S1和S2都可以实现软开关。