摘 要

任何电子元器件都离不开开关控制。随着科技的发展，对电子器件的运行速度有了更高的要求，而提高开关频率能加快运行速度，电子器件的高频化已成为趋势。对于早期使用的硬开关，在开关动作的期间会产生开关损耗，特别是高频特性下开关损耗的数值将变得比较大，从而导致了电源效率降低，硬开关无法适应高频化的发展趋势已成为必然，为解决高频化以及升高电源效率的矛盾，软开关技术应运而生，软开关应用谐振原理能实现开关的零电压导通和零电流关断，进而在理想状况下实现无开关损耗功能。

本文采用MOSFET作为开关元器件，用Matlab构建了软开关buck电路以及硬开关buck电路模型，通过对电路元器件的参数设置调节，得到了较为理想的输出波形，并利用多个示波器对各支路电流电压进行监测，加入加法器得到开关损耗的波形，最后对软开关以及硬开关的开关损耗进行比较，得到对比结果，其中软开关利用准谐振充放电模式能实现开关的零电压开通，理论上有更低的开关损耗。为实现软开关Buck电路的应用，由于太阳能能源技术的发展，输入电源会有一定的波动，在这种情况下需要对软开关Buck电路进行优化设置，即加入PI控制环节，以实现软开关Buck电路在输入电压在一定范围内变化的情况下能基本保持稳定的输出电压的功能。

仿真结果显示了软开关较硬开关有更低的开关损耗，使用阶跃性电源的软开关Buck电路能保持输出电压基本不发生变化。

关键词：软开关；硬开关；Buck电路；PI控制；仿真

Abstract

Any electronic components can not be separated from the switch control. With the development of science and technology, the speed of the operation of electronic devices have higher requirements, and improve the switching frequency can speed up the running speed, the high frequency of electronic devices has become a trend. The early use of hard switching, during the switching action will generate the switching loss, especially high frequency characteristics of switching loss numerical will become relatively large, which leads to the low efficiency of power, hard switching can not adapt to the development trend of high frequency has become inevitable, in order to solve the high frequency and the contradiction between power efficiency increased, soft switching technology arises at the historic moment, soft switching resonant applied principle to achieve the switch at zero voltage turn-on and zero current turn off, and in the ideal condition has the function of zero switching loss.

The MOSFET as switch components, using MATLAB constructs the soft switching buck circuit and hard switching buck circuit model, through adjusting the parameters of the circuit components, and the ideal output waveform was obtained, and the use of oscilloscope to monitor the voltage and current of each branch,get the waveform of switching losses by adding adder, soft switching and hard switching of the switching losses are compared at last, comparison result is got, which soft switching using quasi resonant charge and discharge mode can achieve zero voltage switch opened, theory has lower switching losses. In order to realize the application of soft switching buck circuit, due to the development of solar energy technology, input power will have certain fluctuations, in this case need of soft switching buck circuit optimization settings, add PI control link, to achieve soft switching buck circuit when the input voltage in a certain range changes can be maintained stable output voltage.

The simulation results show that the soft switch has lower switching loss, and the soft switching Buck circuit of the step power supply can keep the output voltage almost no change.

Key words: soft switch hard switch Buck circuit PI control simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 软开关出现的背景 1

1.2 国内外关于软开关研究状况 1

1.3 软开关研究的目的及意义 3

1.4 软开关Buck电路的实现方式 3

第2章 软开关Buck电路原理分析 5

2.1 传统硬开关Buck电路 5

2.2 软开关Buck电路 6

2.3 软开关与硬开关的比较 11

2.4 软开关Buck电路的改进 11

2.5 本章小结 13

第3章 软开关Buck电路的参数设计 14

3.1 软开关实现需遵循的条件规律 14

3.2 软开关Buck电路参数的计算与设定 15

3.3 改进的软开关Buck电路参数计算与设定 15

3.4 本章小结 16

第4章 Simulink仿真验证 17

4.1 Simulink的结构与功能 17

4.2 Simulink的特点 17

4.3 Simulink的图形仿真 17

4.3.1 硬开关电路图的仿真模型 17

4.3.2 软开关电路图的仿真模型 20

4.3.3 改进的软开关Buck电路仿真 25

4.4 本章小结 27

总结与展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 软开关出现的背景

在软开关技术出现之前，开关电路是利用对门极电压的控制来实现开关管的导通和关断的，这也就是常用的硬开关。硬开关在动作过程中，由于开关管两端的电压电流都是瞬时性突变的，电流电压出现重叠，因此会形成开关损耗。随着电力电子装置有了向小型化和轻量化发展的趋势，开关管的动作频率也随之升高。当开关频率比较高时，常会使得开关管在动作的过程中发生开关两端的电压电流变化率较大的现象，这必然会导致比较严重的噪声污染以及较大的开关损耗，而且由于电流的瞬时性变化，高频率的变化将很容易产生变化的磁场，进而会产生严重的电磁干扰，为解决这一系列问题，人们研究出了软开关技术。

和普通硬开关一样，软开关也是用于导通通和关断负载的电路器件，但它实现对电路的关断和导通不是瞬时快速地实现的，而是慢慢的从小至大实现开通亦或是慢慢的从大至小实现关断的状况。

软开关技术自提出以来就受到大量的的关注，发展至今，已开发出了各式各样的软开关拓扑结构，比如准谐振DC/DC变换器，零开关PWM DC/DC变换器，零转换PWM DC/DC变换器等等，这些开关电路的应用，将很好地实现在不降低电源的工作效率的情况下增加变换器的工作频率，其原因是它能够实现开关的零电压导通和零电流关断，因为功率的定义是电压和电流的乘积，因此，只要电流和电压其一为零即可实现功率损耗为零。软开关除了能解决硬开关的损耗问题之外，还能解决电路的容性开通问题、感性关断问题、二极管反向恢复问题，以及由硬开关导致的电磁干扰等问题。另外，软开关在实际中还可以应用于照明电路，这能使得所应用的等在开通时实现亮度从不亮状态到微亮最后至全亮的整个过程是缓慢完成的，而等的熄灭过程与之相反。这一过程的实现得益于对软开关的使用，这能防止灯光的突然性改变对人的眼睛产生的刺激，尤其是伸手不见五指的状况下它的作用更加明显，这体现出了软开关的一大优势。

1.2 国内外关于软开关研究状况