现代电力电子技术中的软开关技术

摘 要：论述了现代电力电子技术的软开关技术及其新发展，论述了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的软开关技术。

关键词：软开关 谐振现象 变换器

一、引言

电力电子技术利用无源功率器件和半导体功率器件、大规模集成电路和微处理器、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助设计技术，以功率变化电路为对象，研究对电能进行变换和控制的规律，以其独特的、不可取代的特殊功能，广泛应用于国民经济的各个领域。

开关电源的高频化是实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量的重要途径。开关电源的高频化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音频噪声。

软开关（softswitching）技术是近年来电力电子学领域中的一个主要研究方向。对软开关理论的深入研究，使软开关技术成为电力电子变换技术的核心内容尤其是能有效地减小电能变换装置引起的环境污染（噪声等）和电磁污染（EMI），为发展无公害电力电子产品提供了有效的方法和途径。

二、谐振软开关的工作原理，种类及特点

谐振软开关是八十年代提出并用于DC-DC变换器中[2]。它利用电路发生谐振时，电流或电压形成周期性地过零点，并使开关器件在在零电流或零电压条件下接通或切断，因此理论上它的开关损耗为零，避免了硬开关由于电压电流波形交叠而产生开通及关断损耗。

软开关包括软关断和软开通。按驱动信号的时序来分又可以分为零电压开通、零电压关断与零电流开通、零电流关断。各种软开关与硬开关的波形比较如下：

图1 软开关和硬开关的波形比较

图中零电流关断信号在t2或t2以后发出，零电压关断信号在t1发出。零电流开通信号在t2或t2以后发出，零电压开通信号在t1发出。

谐振软开关电路中的零电流和零电压条件是由辅助的谐振电路提供的，辅助电路一般由辅助谐振元件L和C和电力电子开关器件S构成。辅助谐振电路中的开关器件S也是在零电流或零电压条件下实现通断。

对于软开关逆变器来说，有两种拓朴结构：一是谐振发生在直流母线上，通过谐振使直流母线上的电流或电压过零点，提供给逆变桥一个零电流开关（ZCS）或零电压开关（ZVS）条件。二是谐振发生在逆变桥桥臂的每一个有源开关两端，通过谐振使得在每个开关需要切换的时候它两端的电压或电流过零点。

软开关技术实际应用中需要解决的主要关键问题：

谐振电路在谐振时所产生高电流应力和高电压应力；

（2）如果谐振电感处于主功率传输通道上时引起感性损耗；

（3）辅助谐振环节及其辅助器件的引入使得电路变得复杂，增加了电路控制的难度；

（4）将PWM技术和谐振软开关技术结合是一个关键问题。采用谐振过渡技术，即把谐振电感移出主功率通道，通过辅助开关控制谐振的发生和终止，使得逆变主开关在过渡的瞬间由谐振产生一个ZVS或ZCS[2]。

三、几种典型的谐振软开关变换器

利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以产生零电压关断或零电流开通的条件，采用这种技术以实现开关器件之间的转换的变换器称为谐振变换器。它有三种类型：

1、全谐振变换器：即谐振变换器（Resonant converters），实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器（Series resonant converters， SRCs）和并联谐振变换器（Parallel resonant converters，PrcS）两类。

2、准谐振变换器（Quasi-reonant converters，QRCs）：谐振元件参与能量变换的某一个阶段，而不是全程参与。由于正向和反向等电路参数不同，谐振振荡频率和电流幅值也不同，因此振荡不对称。一般情况下正向正弦半波大过负向正弦半波，所以称为准谐振。具有此特点的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器（Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters，ZVS QRCs）和零电流开关准谐振变换器（Zero-current-switching Quasi-resonant converters，ZCS QRCs）。

3、多谐振变换器（Multi-resonant converters，MRCs）：它和准谐振变换器一样，谐振元件参与能量变换的某一个阶段，而不是全程参与。不同之处是多谐振变换器的谐振回路和参数要均多于两个，因此称为多谐振变换器。

谐振变换器是一个调频系统，这是为了保持输出电压不随输入电压变化而变化，或者不随负载变化而变化，依靠调整谐振变换器开关器件的开关频率来实现。作为一个调频系统，不如PWM开关变换器那样容易控制，导电损耗增加，功率器件所受的电流与电压的应力较大，且随电路的Q值和负载变化而变化。此外变换器的输出靠改变开关器件的开关频率来实现，开关频率大范围变化使得干扰难以抑制，滤波器、变压器设计难以优化，而且当负载变化大时，变换电路不能达到零电压或零电流开关条件。

为了克服调频系统的缺点和充分发挥PWM的优点，出现了零开关—PWM变换器和零转换—PWM变换器等一批新颖的谐振变换器。

四、几种典型的谐振软开关变换器

1、零开关PWM变换器（Zero switching PWM converter）

零开关PWM变换器是在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。这样，变换器已有电压过零（或电流过零）控制的软开关特点，又有PWM恒频调宽的特点。谐振网络中的电感是与主开关串联的。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/10～1/5。

零开关PWM变换器可分为零电压开关PWM变换器（Zero-voltage-switching PWM converters）和零电流开关PWM变换器（Zero-current-switching PWM converters）。

文献[3]提出了一种新颖的混合式全桥PWM变换器，它不但能在不增加导通损耗的情况下实现空载下ZVS条件，而且能使输入输出的滤波波形几乎为理想的，从而减少了输入输出的滤波装置。

2、 零转换PWM变换器（Zero transition converters）

零转换PWM变换器与零开关PWM变换器并无本质差别，不同之处是谐振网络与主电子开关并联。在开关转换期间，并联的谐振网络产生谐振以获得零开关条件。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变换器综合了硬开关PWM和谐振技术的优点，又克服了它们的缺点：

①采用PWM控制方式，实现恒定频率控制；

②辅助电路与主功率回路相并联，仅在开关管开关时工作，其他时候不工作，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。

该类变换器可分为ZVT PWM变换器和ZCT PWM变换器，在中大功率的场合得到广泛应用。

参考文献

1.《软性开关逆变电路及其应用》。王聪 机械工业出版社 1993.

2. 明正锋，钟彦儒，宁耀斌。极谐振开关过渡三相PWM逆变器研究新进展。电源技术应用，2000（4）：145-148

3.Ayyanar R，Mohan N. A novel soft-switching DC-DC converter with full ZVS-range and reduced ffilter requirement-part I：regulated-output applications. IEEE Trans，Power Electron，2001，16：184～192

4.C M de O Stein，H L Hey.A true ZCZVT commutation cell for PWM converters.IEEE Trans，On Power Electronics，2000，15（1）：185～193