目前電源產(chǎn)品都是朝著頻率高、體積小、重量輕的方向發(fā)展，對高效單片集成 DC-DC 變換器有著廣泛的需求。隨著微電子制作工藝水平的提高，將有源元件和分立的磁性元件全部集成到一個芯片上的單片 DC-DC 變換器已成為可能。為減小無源元件的尺寸，變換器需工作在較高的開關(guān)頻率下，而這必然引起開關(guān)損耗的增大，效率降低。故采用軟開關(guān)技術(shù)可減少開關(guān)損耗，提高效率，但會增加電路設(shè)計的復(fù)雜性以及增加了諧振電容和諧振電感這些無源元件。為此，采用平面磁集成技術(shù)即采用平面磁件將變換器中增加的諧振電感和原變換器中的主要磁性器件（如濾波電感等）從結(jié)構(gòu)上集中到一起，即用一個磁性器 件來實現(xiàn)，進而減少磁性元件的數(shù)量，減小體積，提高功率密度。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

變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交-交變頻電源，其電路拓?fù)湫问奖惶岢?，但直?979年意大利學(xué)者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略后，其特點才為人們所關(guān)注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶閘管。采用這種器件組成矩陣式變換器，控制難度是很高的。矩陣式變換器的硬件特點是要求大容量、高開關(guān)頻率、具有雙向阻斷能力和自關(guān)斷能力的功率器件，同時由于控制方案的復(fù)雜性，要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的半導(dǎo)體工藝和技術(shù)水平所難以達到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及雙向開關(guān)的實現(xiàn)，大多都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實際的研究。高工作頻率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不斷涌現(xiàn)，推動了矩陣式變換器控制策略的研究。

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。

1.5 工作模式5

在t5時刻，vGr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vGr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，vD1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。