基于準諧振型軟開關的高頻開關電源變換器

摘要：傳統高頻開關電源變換電路采用硬開關技術，電路功耗大，承受電壓、電流應力高。為了克服硬開關技術中開關管在有電流通過的情況下被強制關斷，有電壓情況下被強制導通而帶來的各種不利因素，采用準諧振型軟開關技術，即零電流開關(ZCS)準諧振變換器、零電壓開關(ZVS)準諧振變換器，由電感、電容組成諧振回路，利用電感、電容之間的能量交換，使主開關管在零電壓下導通或零電流下截止，達到了減少開關損耗及電磁干擾的目的。軟開關技術在新型開關電源中廣泛采用。
關鍵詞：硬開關；軟開關；零電流；零電壓；準諧振

在高頻開關電源的DC-DC變換電路中，功率開關管在控制信號強制控制下，有電壓時被開通，有電流時被關斷，這種工作方式稱為硬開關。傳統的PWM開關方式屬于硬開關技術，它的缺點顯而易見。
(1)開關管無論在導通或截止時，電壓和電流均不為零，功率器件承受的電壓、電流應力大，開關管存在功耗，且開關頻率越高，功耗愈大。
(2)開關管關斷時，電路中的感性元件和容性元件會產生幅值很高的尖峰電壓和尖峰電流，對開關器件造成危害，且開關頻率越高，損害越大。
(3)隨著工作頻率的增高，會產生嚴重的電磁干擾，對自身電路及電網和周邊電子設備造成影響。
理想的關斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態值，關斷損耗近似為零。因為功率開關管關斷之前，電流已下降到零，這就解決了感性關斷尖峰電壓問題，而理想的導通過程是電壓已先降到零，電流再緩慢升到斷態值，導通損耗近似為零。功率開關管結電容上的電壓也為零，解決了容性導通尖峰電流問題。為了解決硬開關方式帶來的各種不利因素，采用了多種措施。其中，準諧振型開關方式屬于軟開關方式，利用諧振技術，使功率開關管實現了零電壓或零電流的導通和截止，基本消除開關損耗。諧振型開關方式可分為零電流開關型(ZCS)和零電壓開關型(ZVS)；按控制方式分為脈沖寬度調制(PWM)和脈沖相移控制(PS)。實際應用中，PWM軟開關變換器多用于小功率DC-DC開關穩壓電源，PS軟開關變換器則用于中大功率DC-DC開關穩壓電源中。
下面介紹幾種常見的軟開關變換器。

1 零電流開關準諧振變換器
圖1是零電流開關準諧振變換器(ZCS-QRC)基本電路。諧振電容C與整流二極管D并聯，諧振電感與有源開關(晶體管或MOS管)S串聯。S在零電流時接通和關斷，而D在零電壓時接通和關斷。由于L和C諧振，通過S的電流發生振蕩并歸零，這就導致了自然換向。該電路特點是減少了關斷時的損耗，但存在電容在接通時的損耗，電容儲存的能量在S管導通時消耗在S管內，且與S管開關頻率成正比。

2 零電壓開關準諧振變換器
圖2是零電壓開關準諧振變換器(ZVS-QRC)基本電路。諧振電容C與有源開關器件S并聯，諧振電感L與D串聯，S剛關斷時，電容C上的電壓逐漸上升，并與電感L產生諧振，因此S是在零電壓時接通和關斷，而整流二極管D是在零電流時接通和關斷。該電路特點是開關器件的電壓被整形成準正弦波，為開關接通創造零電壓條件，減少了接通時的損耗。存在的問題是開關管還存在過剩的電壓應力，這種應力與負載大小成正比，此外整流二極管結電容與諧振電感引起的諧振會產生電磁干擾。