諧振軟性開關(guān)由美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子中心李澤元教授首先提出并應(yīng)用于DC/DC變換器[1]。而軟開關(guān)變換器的實現(xiàn)卻是慣用的分立元件，由此引發(fā)了很多問題：(1)分立元件存在寄生參數(shù)可直接影響變換器的高頻性能；(2)對一個分立軟開關(guān)變換器的不同元件類型、尺寸、大小等因數(shù)的考慮及元件間的相互連接與連接的空隙等問題，都將導(dǎo)致空間利用率的降低。因此，為了提高軟開關(guān)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(shù)對軟開關(guān)變換器中的磁性元件進行平面磁集成。仿真結(jié)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(yōu)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(shè)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件。則Lf≥Lr，在一個開關(guān)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(nèi)的電路工作波形如圖2所示，正向耦合時，在一個周期內(nèi)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，v_Gr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v_Gr衰減到零之后續(xù)流二極管D1續(xù)流，在這個時間內(nèi)關(guān)斷Q2為零電流關(guān)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(guān)模態(tài)表達式中的M替換為-M即可。
2 集成磁件設(shè)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(cè)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(jié)構(gòu)時，由于兩側(cè)柱無氣隙，一方面其機械結(jié)構(gòu)特性比較穩(wěn)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(jié)構(gòu)不穩(wěn)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(guān)周期。
    在上面討論過的6個周期中，v_D1的值如表1所示。

    諧振周期Tr與耦合系數(shù)k、輸出電壓vo與耦合系數(shù)k的仿真結(jié)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(shù)的增大而減小。在圖5中輸出電壓隨耦合系數(shù)的增大而減小。仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，證明該集成方法的可行性和優(yōu)越性。
    新型ZCS―PWM Buck變換器在滿足主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都可實現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)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(guān)變換器的體積、重量，提高其功率密度，而且能實現(xiàn)開關(guān)電源的“短、小、輕、薄”。通過合理的設(shè)計還可以降低器件的損耗和電壓、電流應(yīng)力，減小開關(guān)電源的輸出電流和電壓紋波，改善電源的動態(tài)性能，從而為實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)集成提供技術(shù)支持。
參考文獻
[1] 阮新波，嚴仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.
[2] 蔡宣三，龔邵文.高頻功率電子學(xué)(第1版)[M].北京：科學(xué)出版社,1993.
[3] 楊玉崗.現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)[M].北京：科技出版社，2003.
[4] 王聰.軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.