谐振开关型零电流开关变换器原理及仿真

以Buck DC/DC变换器为例，介绍零电流关断ZCS PWM变换器和零电流关断ZCS PFM变换器工作原理，及simulink仿真结果。

零电流关断脉冲宽度调制ZCS PWM变换器工作原理

下图是Buck DC/DC ZCS PWM变换器的主电路图，它由输入电源Vd、主开关管T1（包括其反并联二极管D1）、续流二极管D0、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf、负载电阻R、谐振电感Lr、谐振电容Cr及辅助开关管T2（包括其反并联二极管D2）组成。

在一个开关周期Ts中，该变换器有五种开关状态，在分析中假设所有开关管、二极管、电感、电容均为理想元器件；假定Cf足够大，Lf足够大，在一个开关上周期中，开关电路输出电压的直流电压平均值Vo、电流Io不变，If保持为负载电流Io不变，即Lf和Cf及负载电阻可以看成一个电流为Io的恒流源。

下图为开关周期内的电压电流波形图

假设t<t0时，主开关T1是断开的，辅助开关T2是断开的，谐振电容Cr电压为0，续流二极管D0导通，流过D0的电流等于Io。在t=t0时，对T1施加驱动信号，作为一个开关周期Ts开始。具体分析如下：

（1）开关状态1：开关状态1： 时开通T1建立电流，进入电感充磁阶段。

等值电路如下图所示。

，T1被驱动， 从零上升至Io，续流二极管Do电流从Io减小至零（Do导通时，Cr电压恒为0）， 时，Do截止。此阶段为T1软开通。

（2）开关状态2： ，谐振阶段，Lr、Cr谐振半个周期π。

时，Do截止， 、T1、Lc、D2、Cr形成谐振电路，在 期间， ，D2导通， ，电源 经T1、Lr、D2对Cr谐振充电，经过 （Tr 为谐振周期）到达 时， 减少到 ， 达到最大值2.

（3）开关状态3： ，电源向负载供电阶段。

开始 ， ，D2流过电流为0自然关断，因T2未被驱动仍处于断态， 不能放电，电源经T1、Lr对负载进行供电， 。

（4）开关状态4： ，T2开通，Cr开始谐振放电直到电压为零。

时刻，驱动辅助开关T2，Cr经过T2放电，Io恒定不变，所以Cr的放电电流 。在 期间负电流经D1反汇电源，主开关管T1已断流，且D1导通钳位T1的电压，在此期间撤除T1的驱动信号，可使T1在零电流下关断，无关断损耗。

（5）开关状态5： ，主开关管T1处于断态。

在 时，撤除T2驱动信号关断T2，T2为零电流关断。 再次开通T1，进入下一个开关周期。

由上分析可知，改变T2的开通时刻 ，即可改变T1通态供电的时区③的时间长度，在开关频率恒定的情况下可通过脉冲宽度调制PWM来调控Buck DC/DC变换器的占空比来调控直流输出电压的平均值。并且该电路实现了主开关管T1零电流关断、软开通，也实现辅助开关管T2零电流关断、软开通。

零电流关断脉冲频率调制ZCS PFM变换器工作原理

下图所示为零电流关断ZCS PFM变换器，相较于ZCS PWM变换器电路，取消了辅助开关管T2和D2。

由于无T2，电路的开通、关断仅由T1的驱动信号决定。控制T1的开通，形成LrCr谐振使Lr电流过零反向，当电流流过D1时，开关管T1电流为0，期间撤除T1的驱动信号可使T1零电流下关断。

与零电流关断PWM变换器的电压电流波形图相比，由于没有辅助开关管T2，当谐振到 时将继续谐振，缺少了 的时区③。其他变换情况与ZCS PWM波形相同。

搭建仿真电路如上图，进行仿真得到电压电流波形图如下：

与零电流关断PWM变换器的电压电流波形图相比，由于无时区③，在一个开关周期中，仅在 和 期间 ，输出功率。在一个周期中这段时间只与T1的开通期 的上升时间和谐振电路参数Lr、Cr有关，不能被调控。因此，要增加或减少输出电压直流平均值只能靠增加或减少开关频率来实现，即通过脉冲频率调制PFM调控输出电压。