軟開關(guān)技術(shù)綜述

　　1 引 言

　　開關(guān)電源就是采用功率半導體器件作為開關(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)整輸出電壓。開關(guān)電源的構(gòu)成框圖如圖1所示，它由輸入電路、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)電路和變壓器組成。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)晶體管要采用開關(guān)速度高、導通和關(guān)斷時間短的晶體臂，最典型的功率開關(guān)晶體管有功率晶體管（CTR）、功率場效應管（MOSFET）和絕緣型雙極型晶體管（IGBT）等3種。控制方式分為脈寬調(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（PWM）方式。

　　
圖1 開關(guān)電源構(gòu)成框圖

　　從60年代開始得到發(fā)展和應用的DC－DC PWM功率變換技術(shù)是一種硬開關(guān)技術(shù)。為了使開關(guān)電源在高頻狀態(tài)下也能高效率地運行，國內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界自70年代以來，不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)和硬開關(guān)波形比較如圖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通（或關(guān)

斷），在零電流條件下關(guān)斷（或?qū)ǎＥc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，所以它能消除相應的電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI），提高了變換器的可靠性。同時，為了減小變換器的體積和重量，必須實現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率，同時提高變換器的變換效率，就必須減小開關(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)的一個重要的研究方向。本文對軟開關(guān)和硬開關(guān)的工作特性進行比較，并對軟開關(guān)技術(shù)進行了詳細闡述。

　　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)管不是理想器件，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)工作的四大缺陷妨礙了開關(guān)器件工作頻率的提高, 它存在如下問題：

　　（a）開通和關(guān)斷損耗大：在開通時，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進行；關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進行。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)頻率的提高而增加。

　　（b）感性關(guān)斷問題：電路中難免存在感性元件（引線電感、變壓器漏感等寄生電感或?qū)嶓w電感）、當開關(guān)器件關(guān)斷時，由于通過該感性元件的di／dt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。

　?。╟）容性開通問題：當開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，儲藏在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部耗散在該開關(guān)器件內(nèi)，引起開關(guān)器件過熱損壞。

　?。╠）二極管反向恢復問題：二極管由導通變?yōu)榻刂箷r存在著反向恢復期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導通狀態(tài)，若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件，容易造成直流電源瞬間短路，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加，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安全工作區(qū)（Safety operation area，SOA），如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會超出安全工作區(qū)，導致開關(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

　　從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和關(guān)斷。軟開關(guān)的開通和關(guān)斷波形如圖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)的開通有以下幾種方法：

　?。╝）零電流開通：在開關(guān)管開通時，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，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。

　?。╞）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），在這種情況下，開通損耗為零。這種情況最為理想。

　　 同理，軟開關(guān)的關(guān)斷有以下幾種方法：:

　?。╝）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。

　?。╞）零電壓關(guān)斷：在開關(guān)管關(guān)斷時，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，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），在這種情況下，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，不會超出安全工作區(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)實際上是利用電感和電容來對開關(guān)的開關(guān)軌跡進行整形，最早的方法是采用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

，從而改善開關(guān)管的開關(guān)條件。這種方法對變換器的變換效率沒有提高，甚至會便效率有所降低。目前所研究的軟開關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，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，以下將對其進行詳細分析：

　?。?）諧振型變換器

　　利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)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、準諧振變換器和多諧振變換器三種類型。

　　（a）全諧振型變換器

一般稱之為諧振變換器（Resonant converters）。該類變換器實際上是負載諧振型變換器，按照不同的分類方式，它又可以分為不同的類型。

　　按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器（Series resonant converters, SRCs）和并聯(lián)諧振變換器（Parallel resonant converters, PRCs）兩類。

　　按載與諧振電路的連接關(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（