軟開關(guān)技術(shù)綜述

1、軟開關(guān)技術(shù)綜述就是采納功率器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開元件的占空比來調(diào)節(jié)輸出。開關(guān)電源的構(gòu)成框圖1所示，它由輸入、變換電路、輸出電路和控制電路等組成。功率變換是其核心部分，主要由開關(guān)電路和組成。為了滿足高功率密度的要求，變換器需要工作在高頻狀態(tài)，開關(guān)晶體管要采納開關(guān)速度高、導(dǎo)通和關(guān)斷時光短的晶體臂，最典型的功率開關(guān)晶體管有功率晶體管（ctr）、功率（）和絕緣型雙極型晶體管（）等3種?？刂品绞椒譃槊}寬調(diào)制、脈頻調(diào)制、脈寬和頻率混合調(diào)制等3種，其中最常用的是脈寬調(diào)制（）方式。圖1 開關(guān)電源構(gòu)成框圖從60年月開頭得到進展和應(yīng)用的dcdc pwm功率變換技術(shù)是一種硬開關(guān)技術(shù)。為了使開關(guān)

2、電源在高頻狀態(tài)下也能高效率地運行，國內(nèi)外界和電源技術(shù)界自70年月以來，不斷討論開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)和硬開關(guān)波形比較2所示。圖2 軟開關(guān)和硬開關(guān)波形從圖可以看出，軟開關(guān)的特點是功率器件在零電壓條件下導(dǎo)通（或關(guān)斷），在零條件下關(guān)斷（或?qū)ǎ?。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開關(guān)損耗小。與此同時， du/dt和di/dt大為下降，所以它能消退相應(yīng)的電磁干擾（emi）和干擾（rfi），提高了變換器的牢靠性。同時，為了減小變換器的體積和分量，必需實現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率，同時提高變換器的變換效率，就必需減小開關(guān)損耗。減小開關(guān)損耗的途徑就是實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，因此

3、軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為是開關(guān)變換技術(shù)的一個重要的討論方向。本文對軟開關(guān)和硬開關(guān)的工作特性舉行比較，并對軟開關(guān)技術(shù)舉行了具體闡述。2 硬開關(guān)的工作特性圖3是開關(guān)管開關(guān)時的電壓和電流波形。開關(guān)管不是抱負器件，因此在開關(guān)管開關(guān)工作時，要產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗（switching loss）。開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開關(guān)損耗的存在限制了變換器開關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。圖3 開關(guān)管開關(guān)時的電壓和電流波形傳統(tǒng)pwm變換器中的開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，硬開關(guān)工作的四大缺陷阻礙了開關(guān)器件工作頻率的提高, 它存在如下問題：（a）開通和關(guān)斷

4、損耗大：在開通時，開關(guān)器件的電流升高和電壓下降同時舉行；關(guān)斷時，電壓升高和電流下降同時舉行。電壓、電流波形的交疊致使器件的開通損耗和關(guān)斷損耗隨開關(guān)頻率的提高而增強。（b）感性關(guān)斷問題：電路中難免存在感性元件（引線、變壓器漏感等寄生電感或?qū)嶓w電感）、當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時，因為通過該感性元件的didt很大，和dv/dt，從而產(chǎn)生大的電磁千擾（electromagnetic interference，emi）,而且產(chǎn)生的尖峰電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成電壓擊穿。（c）容性開通問題：當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，貯存在開關(guān)器件結(jié)中的能量將所有耗散在該開關(guān)器件內(nèi)，引起開關(guān)器件過熱損壞。（d）反向復(fù)原問題：

5、二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在著反向復(fù)原期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，若立刻開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件，簡單造成直流電源眨眼短路，產(chǎn)生很大的沖擊電流，輕則引起該開關(guān)器件和二極管耗急劇增強，重則致其損壞。圖4給出了接感性負載時，開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)的開關(guān)軌跡，圖中虛線為雙極性晶體管的平安工作區(qū)（safety operation area，soa），假如不充實開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會超出平安工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。圖4 開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡3 軟開關(guān)技術(shù)的特性和實現(xiàn)策略先前面的分析可以知道，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗。利用軟開關(guān)技術(shù)可以減小變換器的開通損耗

6、和關(guān)斷。軟開關(guān)的開通和關(guān)斷波形5所示。（a）零電流開通和關(guān)斷（b）零電壓開通和關(guān)斷圖5 軟開關(guān)開通和關(guān)斷波形軟開關(guān)的開通有以下幾種辦法：（a）零電流開通：在開關(guān)管開通時，使其電流保持在零，或者限制電流的升高率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。從圖5（a）可以看出，開通損耗大大減小。（b）零電壓開通：在開關(guān)管開通前，便其電壓下降到零。從圖5（b）可以看出，開通損耗基本減小到零。（c）同時做到（a）和（b），在這種狀況下，開通損耗為零。這種狀況最為抱負。同理，軟開關(guān)的關(guān)斷有以下幾種辦法：:（a）零電流關(guān)斷：在開關(guān)管關(guān)斷前，使其電流減小到零。從圖5（a）可以看出關(guān)斷損耗基本減小到零。（b）零電壓關(guān)斷：在

7、開關(guān)管關(guān)斷時，使其電壓保持在零，或者限制電壓的升高率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。從圖5（b）可以看出，關(guān)斷損耗大大減小。（c）同時做到（a）和（b），在這種狀況下，關(guān)斷損耗為零。圖6給出了開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡，從圖中可以看出，此時開關(guān)管的工作條件很好，不會超出平安工作區(qū)。圖6 開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡4 軟開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)及其類型變換器的軟開關(guān)技術(shù)事實上是利用電感和電容來對開關(guān)的開關(guān)軌跡舉行整形，最早的辦法是采納有損緩沖電路來實現(xiàn)。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉，從而充實開關(guān)管的開關(guān)條件。這種辦法對變換器的變換效率沒有提高，甚至?xí)阈视兴档?。?/p>

8、前所討論的軟開關(guān)技術(shù)不再采納有損緩沖電路，而是真正減小開關(guān)損耗，而不是開關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。軟開關(guān)變換器有諧振型變換器、零開關(guān)pwm變換器、零轉(zhuǎn)換pwm變換器三種類型，以下將對其舉行具體分析：（1）諧振型變換器利用諧振現(xiàn)象，使開關(guān)器件上電壓或電流按正弦邏輯變幻，以制造零電壓開通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為諧振變換器。它又可以分為全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器三種類型。（a）全諧振型變換器普通稱之為諧振變換器（resonant converters）。該類變換器事實上是負載諧振型變換器，根據(jù)不同的分類方式，它又可以分為不同的類型。根據(jù)諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換

9、器（series resonant converters, srcs）和并聯(lián)諧振變換器（parallel resonant converters, prcs）兩類。按載與諧振電路的銜接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類:一類是負載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負載（或串聯(lián)輸出）諧振變換器（series load resonant converters, slrcs，）;一類是負載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負載（或并聯(lián)輸出）諧振變換器（parallel load resonant converters, plrcs）,在諧振變換器中，諧振元件向來諧振工作，參加諧振工作的全過程。該變換器與負載關(guān)系很大，對負載

10、的變幻很敏感，普通采納頻率調(diào)制辦法。（b）準(zhǔn)諧振變換器（quasi-resonant converters, qrcs） ：它開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，其特點是諧振元件參加能量變換的某一個階段，不是全程參加。因為正向和反向lc回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值不同，所以振蕩不對稱。普通正向正弦半波大過負向正弦半波，所以常稱為準(zhǔn)諧振。無論是串聯(lián)lc或并聯(lián)lc都會產(chǎn)生準(zhǔn)諧振。利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上的電壓或電流按正弦邏輯變幻，從而制造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（zero-current-switching quas

11、i-resonant converters, zcs qrcs）和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（zero-voltage-switching quasi-resonant converters, zvs qrcs）。（c）多諧振變換器（multi-resonant converters, mrcs）：它和準(zhǔn)諧振變換器一樣，也是開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，其特點是諧振元件參加能量變換的某一個階段，不是全程參加。多諧振變換器的諧振回路、參數(shù)可以超過兩個，例如三個或更多，稱為多諧振變換器。多諧振變換器普通實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。這類變換器需要采納頻率調(diào)制控制辦法。為保持輸出電壓不隨輸入電壓變幻而變幻，不隨負荷變幻

12、而變幻（或基本不變），諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振變換器主要靠調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如pwm開關(guān)變換器那樣易控，這是由于調(diào)頻系統(tǒng)是依賴l、c振蕩使得電路產(chǎn)生諧振和準(zhǔn)諧振的，l、c振蕩所產(chǎn)生的正弦波具有較高的電壓或電流的有效值，通常會使導(dǎo)電損耗有所增強，功率器件所受的電壓與電流的應(yīng)力都要比相應(yīng)的硬開關(guān)pwm變換電路功率器件承受的壓力大，并且該應(yīng)力隨電路的q值和負載變幻而變幻。調(diào)頻系統(tǒng)是依賴轉(zhuǎn)變開關(guān)頻率來轉(zhuǎn)變變換器的輸出，開關(guān)頻率大范圍變幻使得、變壓器設(shè)計難以優(yōu)化，干擾難以抑制，而且因為調(diào)頻來調(diào)整輸出，負載變幻大時，相應(yīng)的電壓和電流調(diào)整范圍比相應(yīng)pwm變換電路窄，超前一定范圍后，變換電路

13、不能達到零電壓或零電流開關(guān)條件，不能達到滿載或空載。因此為了克服調(diào)頻系統(tǒng)的缺點和充分發(fā)揮pwm的優(yōu)點，浮現(xiàn)了零開關(guān)pwm變換器和零轉(zhuǎn)換pwm變換器。（2）零開關(guān)pwm變換器（zero switching pwm converters）:它可分為零電壓開關(guān)pwm變換器（zero-voltage-switching pwm converters）和零電流開關(guān)pwm變換器（zero-current-switching pwm converters）。該類變換器是在準(zhǔn)諧振變換器的基礎(chǔ)上，加上一個輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn)pwm控制。這樣，變換器已有電壓過零（或電流過

14、零）控制的軟開關(guān)特點，又有pwm恒頻調(diào)寬的特點。這時諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開關(guān)串聯(lián)的。與準(zhǔn)諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時光與開關(guān)周期相比很短，普通為開關(guān)周期的1/101/5。（3）零轉(zhuǎn)換pwm變換器（zero transition converters）:零轉(zhuǎn)換pwm變換器，與零開關(guān)pwm變換器并無本質(zhì)上的差別，也是軟開關(guān)與pwm的結(jié)合。只不過諧振網(wǎng)絡(luò)與主電子開關(guān)是相并聯(lián)的。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換pwm變換器（zero-voltage-transition pwm converters, zvt pwm converters）和零電流開關(guān)pwm變換器（zero-current-transition pwm converters, zvt pwm conver