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一種新穎的無源無損緩沖電路的分析與工程設計
摘要：詳細分析了一種新穎的具有較強工程實用價值的無源無損緩沖電路的工作過程，并給出了其設計方法。一臺400V輸入，110V/10A輸出的帶有該電路的Buck變換器驗證了無源無損緩沖電路的分析和工程設計。1 概述
在各種形式的開關變流器中，為了減小功率管的電流、電壓及熱應力，降低損耗，提高變流器效率，減小電磁干擾，提高開關頻率和增加變流器功率密度，廣泛采用了軟開關技術。作為軟開關技術的一種，無源無損緩沖電路通過在主電路中附加電容、電感及二極管等無源元器件，使主開關具有零電壓、零電流開關條件，并且由于能將緩沖電路上的儲能全部傳遞給負載，從理論上講緩沖電路是沒有損耗的，這也有利于提高變換器的效率。
圖1中所示的是一種新穎的無源無損緩沖電路拓撲，可分別應用于Buck電路和Boost電路，特別是在高開關頻率和中大功率場合。該緩沖電路能使主開關S在零電流開通（ZCON）和零電壓關斷（ZVOFF）條件下工作，極大降低了開關管在這種同時處于高電壓和大電流換流條件下的電路中所承受的應力，而且還能有效地抑制主二極管D的反向恢復電流。這種緩沖電路拓撲相對簡單，使用的元器件數目較少，具有較強的工程實用價值。2無源無損緩沖電路工作過程分析以Buck電路為例，圖2和圖3分別描繪了該無源無損緩沖電路各階段的工作過程與相應波形。
圖2
階段1〔t0，t1〕——零電流開通t0時刻S導通，由于緩沖電感Lr的存在，開關管中的電流緩慢上升，S獲得了零電流開通（ZCON）條件。該階段中，輸入電壓直接施加在Lr上，其電流線性下降，因此S中的電流線性上升。另一方面，階段1也是D進行反向恢復的過程。由于Lr的存在，極大抑制了D的反向恢復電流，并使反向恢復過程中的電壓尖峰大大削弱。在分析中不考慮反向恢復過程，t1時刻當Lr中的電流下降到零時D截止，階段2開始。
階段2〔t1，t2〕——Cr復位t1時刻Cr上電壓為Vin，Cs上電壓為0，通過Lr的電流為0。在由S，Lr，Cs，Ds2，Cr構成的諧振回路中，Cr中的電荷將通過Cs和Lr釋放掉，Cs上電壓開始上升，D開始承受反向壓降，其變化規律滿足式（1），即
vD=Vin－vCr＋vCs （1）
t2時刻Cr上的電壓降為0，為S的零電壓關斷（ZVOFF）創造條件，這時通過S的電流達到最大值，即
同時Lr上的電流也達到反向最大值。
階段3〔t2，t3〕——Lr復位t2時刻當Cr上的電壓降為0后，Ds1導通，此時Lr上的電流最大。Lr和Cs通過Ds1及Ds2構成諧振回路，存貯在Lr中的能量通過諧振釋放到Cs中，Cs上的電壓繼續上升。由于Lr僅同Cs進行諧振，因此階段3的持續時間要長于階段2。t3時刻當Lr中電流降為0，Ds1及Ds2截止，諧振過程結束。Cs上的電壓達到最大值，即
在此階段中，D所承受反向電壓的變化規律為
vD=Vin＋vCs （4）
階段4〔t3，t4〕緩沖電路停止工作，電路進入正常的PWM開通階段。與普通硬開關PWMBuck電路導通階段不同的是，由于在本階段開始時D承受的反向電壓達到峰值并大于輸入電壓Vin，這并不是一個穩定的狀態，這部分多余的能量將通過D的結電容與Lr經Vin構成諧振回路而釋放掉，vD振蕩下降，到t4時刻穩定在輸入電壓Vin。
階段5〔t4，t5〕——零電壓關斷t4時刻vgs=0，由于Cr的存在，S獲得了零電壓關斷（ZVOFF）。S關斷后，電流I全部轉移到Cr中，其端電壓迅速上升。t5時刻當其電壓上升到（Vin－vCs?peak）時，本階段結束，階段6開始。
階段6〔t5，t6〕t5時刻Ds3導通，Cs開始放電，通過Lr的電流逐漸增大。同時Cr繼續充電。為了在下一個開關周期中使S獲得零電流開通條件，Cr的端電壓必須在本階段中達到輸入電壓Vin，為此需要滿足式（5），即
若式（5）中的I=Imin，則式（5）轉換為
(Imax/Imin)
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