徐 丹

（1.上海大学，机电工程与自动化学院，上海 200072；2.中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802）

0 引言

提高电源的效率有着极其重要的意义，效率的提高意味着输入功率的减少，有利于电力成本的减少。效率提高的同时也伴随着电源损耗的降低，电源随着损耗的降低，电源内部电子元器件的发热也会大幅度减少，电子元器件的寿命就会大幅地提高。因此提高效率就变得十分有必要，本文将提出一种新的方式来提高电源的效率。

1 高效率电源的工作原理

传统的开关电源在能量转换的过程中，都会损失大量的电能，其中大部分的能量消耗在半导体开关元器件上。这大量损失的电能一部分将转化为热量，如果不能将这些热量很快地散去，将会导致电源过度发烫而损坏；另外一大部分能量将转化为电磁场，这些电磁场将耦合进电源系统中，将严重干扰电源系统的正常工作。半导体开关器件闭合期间漏极、源极间电压非常高，在此期间漏极电流与该电压的乘积便是电能损耗［1-2］。

本文所研究的高效率开关电源，不再采取传统的控制策略，取而代之的是一种基于ZVS 与ZCS 技术的控制策略。那么何为ZVS、ZCS 控制策略呢？简单地说就是通过自动控制技术，把电压与电流分割成两片独立的区域。当电压升高时，将电流降低为零；而当电流升高时，将电压降低为零。

2 ZVS、ZCS 控制策略的实现

在高效率开关电源中，当半导体开关元器件开通时，电源电压作用在变压器的原边两端，此时变压器电流逐渐上升。此时检流电阻将电流信号传送至电流处理模块，电流处理模块将电流信号通过乘法器及斜率补偿电路的处理后，将计算结果传送至误差比较器。在误差比较器中与输出电压进行比较，将比较的结果传送入PWM 发生器内。最后，时钟信号、PWM 数字信号一起进入RS 触发器中，产生正逻辑有效的开关信号来驱动半导体开关元器件。

经过如上处理后，流过半导体开关元器件的电流与其上的电压之间被有效地分割出来。当改变乘法器增益时，电流与电压之间的间隔时间会加长，由此有效地避免了两者重叠的可能。电流处理模块中还包含了峰值电流保护电路，可以有效地保护变压器避免出现电磁饱和的现象［3］。

3 ZVS、ZCS 控制策略的仿真验证

使 用MATLAB 软 件 的Simulink 模 块，对ZVS、ZCS 控制环路进行仿真。建立如图1 所示的电流处理模块仿真模型，该模型是将ZVS、ZCS 控制算法同MATLAB 子模型相结合，利用子模型来模拟控制策略。将仿真模型在MATLAB 中进行仿真，得到图2 的仿真结果，由此可见半导体开关元器件的电流与电压在该控制策略被有效地抑制了，进一步可验证高效率开关电源的可行性。

4 高效率电源实物试验测试

在理论与算法仿真的基础上，利用电子元器件搭建了高效率电源的测试平台，进一步验证ZVS 与ZCS控制策略的可行性和高效性。

图3 为运行ZVS 与ZCS 控制策略后，变压器主绕组上电压与电流相对应的实际测量波形。从实测波形中，可以验证在电源正常运行期间，变压器主绕组上电压与电流的工作区间互相分离，以此来达到电能损耗接近于零的目标[4-5]。

图1 ZVS、ZCS 控制环路仿真示意图

图2 半导体开关元器件电流仿真示意图

图3 变压器电流与电压波形

5 结论

本文研究了ZVS、ZCS 控制技术，利用该技术提高开关电源的电能利用效率，可以实现节能环保。