Buck零电压准谐振变换器

一、软开关技术

功率管在开通和关断的过程中均会产生损耗。随着开关频率的不断提高，开关功耗在额定功率中的占比将随之增大，电源效率降低。目前许多应用中功率管属于硬开关状态，即电流与电压产生较大交叠区域，导致开关功耗较高。若将硬开关过程替换为软开关，将显著减小器件的开关损耗。下图示意了硬开关和软开关过程的功耗差异性，阴影部分代表软开关相对于硬开关减小的开关损耗。

二、Buck零电压准谐振变换器原理图

常规的Buck电路属于典型的硬开关电路，其原理图如下图所示。由于二极管的钳位，在功率管开启过程中，电流先上升到最大位置电压才开始下降。同理，在功率管关断过程中，电压先上升到最大位置电流才开始下降。

为了将硬开关过程转换为软开关，在功率管附近引入了LC谐振部分，从而功率管不再受二极管钳位的限制，可实现软开关。

三、电路仿真

Multisim仿真电路及参数如下，常规Buck和零电压准谐振Buck均实现100V转33V的功能。常规Buck启动时输出电压具有减幅振荡，零电压准谐振Buck启动较为平稳。

如下是常规Buck中功率管电压和电流波形以及开关瞬态的局部放大图。可以明显地观察到开启瞬间和关断瞬间电压与电流具有较大面积交叠，根据W=U*I*T，开关过程中功率管具有较大损耗。

如下是零电压准谐振Buck中功率管电压和电流波形以及开关瞬态的局部放大图（图中灰色曲线代表Gate的开关点，便于识别开关时刻）。开启瞬间，功率管处于体二极管导通状态，因此压降很低，开启功耗极小。关断瞬间，由于电容的存在（电流可突变，电压不可突变）功率管中电流可快速关断，并由电容继续维持电感上的电流，之后电容电压逐渐升高。所以在关断过程中功率管是电流先下降电压再上升，它们之间几乎无交叠区域，因此也具有较小的关断功耗。功率管在开关过程中都处于压降较低的时刻，因此实现了零电压开关。但是可以观察到，零电压准谐振Buck准谐振过程中功率管两端的电压超过300V，常规Buck只需要承受100V的电源电压。因此对于零电压准谐振Buck，需要采用耐压更高的功率管，往往高耐压的器件对应更大的导通压降，所以在降低开关功耗的同时引入了导通功耗，实际设计中需要在两者之间折衷。