软开关技术在开关电源中的应用

[摘 要]软开关PWM技术集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率管的零电压开关，又能实现功率管的恒定频率控制，是电力电子技术的发展方向之一。与传统PWM硬开关变换器相比，元器件的电压、电流应力小，仅仅增加了一个谐振电感，成本和电路的复杂程度没有增加。移相控制零电压开关PWM变换器就是软开关PWM技术中的一种拓扑，它适用于中、大功率直流一直流变换场合。

[关键词]软开关技术 谐振原理 电源

中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0384-01

引言

近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今，笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积，增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的开关噪声，从而已成为新的发展趋势。

1.软开关发展应时而生

以前的开关电源大多数采用脉宽调制技术（PWM），称为“硬开关”（HARDSWITCH）电源。硬开关和软开关是针对开关管（MOSFET）来讲的，硬开关是不管开关管（DS极或CE极）上的电压或电流，强行开或关开关管，当开关管上（DS极或CE极）电压及电流较大时开关管动作，由于开关管状态间的切换（由开到关，或由关到开）需要一定的时间，这会造成在开关管状态间切换的某一段时间内电压和电流会有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗称为开关管的切换损耗。软开关是指通过检测开关管电流或其他技术，做到当开关管两端电压或流过开关管电流为零时才导通或关断开关管，这样开关管就不会存在切换损耗。一般来说软开关的效率较高（因为没有切换损）；工作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以体积可以做的更小。但成本也相对较高，设计较复杂。

我们都有这样的经验，合上电闸时会产生火花，断开电路时也会产生火花，通常断开电路所需时间比接通时要长，产生的火花要大。原因是电路中有寄生电感和电容。寄生电感流过电流时便会存储磁场能量，断开电路时电感阻碍电流的变化，产生很高的感应电压，通过电火花，电弧把磁场能量释放掉。这部分能量是白白消耗掉的。而且会使闸刀发热，烧蚀，因此频繁开关会导致闸刀损坏。理想的软关断过程是电流先降小到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零，便解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压也为零，解决了容性开通问题。其中通断一次的能量损耗乘以开关工作频率即为开关损耗，为了减小体积和重量，频率越高越好。但是频率升高开关损耗随之变大，电磁干扰变大。软开关技术在这种要求下应运而生，使开关电源能够在高频下高效率地运行。软开关技术是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；开关管电压自然过零时，使开关管导通，从而使开关管关断和导通损耗为零，实现了开关电源高频化的设计，提高了电源效率，温升亦低，工作可靠。

2.软开关技术的原理

软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断（或电压为零时，使器件开通），从而减少开关损耗。谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零电压开关脉冲调宽变换器、零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零电流转换全桥直流/直流变换器及零转换PWM变换器均可实现软开关电源。

2.1 谐振变换器按照谐振元件的谐振方式，可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类；按负载与谐振电路的连接关系，又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振，使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形，开关元件在电流或电压的过零处开通或关断，实现软开关过程。

2.2 准谐振变换器和多谐振变换器

准谐振变换器和多谐振变换器的特点是谐振元器件参与能量变换的某一阶段，不是全程参与。这类变换器需要采取频率调制控制方法。在基本PWM开关上增加一些谐振元件，它是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合，谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM开关串联，利用电感中谐振电流过零点时，使开关零电流关断；零电压谐振开关是将谐振电容与PWM开关并联，利用电容两端谐振电压过零点时，使开关零电压开通。它们各有L型和M型两种电路方式，而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通，又可分为半波模式和全波模式。

2.3 零开关PWM变换器

零开关PWM变换器包括零电压PWM变换器和零电流PWM变换器，。它们特点是变换器工作在脉冲调宽的方式下，电路简单，工作稳定。辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作，实现开关管的软开关，其它时间停止工作。它们是在准谐振软开关的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现PWM控制。它只利用谐振实现换相，换相完毕后仍采用PWM工作方式，从而既能克服硬开关PWM在开关过程中的三大缺陷，又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。

2.4 移相控制零电压转换全桥式直流/直流变换器和移相控制零电流转换全桥式直流/直流变换器及两者混合式的变换器是大中小功率软开关电源的主要形式。这类变换器通过改变全桥对角线上下开关管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂开关管的控制极上的电压领先于滞后臂开关管控制极上的电压一个相位，并在控制器的控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容及变压器初次级之间寄生电容来完成谐振过程，实现零电压或零电流开通或关断。

2.5 零转换PWM变换器零转换PWM变换器包括ZVT-PWM变换器和ZCT-PWM变换器，其谐振网络是与主开关并联的。在开关转换期间，并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后，电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此，零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点，又综合了它们的优点。为此，该类变换器在中大功率场合得到广泛应用，并具有如下优点：①采用PWM控制方式，实现恒定频率控制。②辅助电路只是在开关管开关时工作，其他时候不工作，而且是与主功率回路相并联，不需要处理很大的环流能量，从而减小了辅助电路的损耗。③辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。

3 结束语

人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。即电路中既可以存在零电压开通，也可以存在零电流关断，同时既可以包含零电流开通，也可以包含零电压关断，是这四种状态的任意组合。由此可见，由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。

参考文献

[1] 罗松筠.广播发射新技术.成都：电子科技大学出版社，1990.

[2] 刘凤君.《现代高频开关电源技术及应用》电子工业出版社.

[3] 张占松.《开关电源的原理与设计》电子工业出版社.