軟開關技術綜述

　　1 引 言

　　開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開元件的占空比來調整輸出電壓。開關電源的構成框圖如圖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，開關晶體管要采用開關速度高、導通和關斷時間短的晶體臂，最典型的功率開關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制、脈頻調制、脈寬和頻率混合調制等3種，其中最常用的是脈寬調制（PWM）方式。

　　
圖1 開關電源構成框圖

　　從60年代開始得到發展和應用的DC－DC PWM功率變換技術是一種硬開關技術。為了使開關電源在高頻狀態下也能高效率地運行，國內外電力電子界和電源技術界自70年代以來，不斷研究開發高頻軟開關技術。軟開關和硬開關波形比較如圖2所示。

　　
圖2 軟開關和硬開關波形

　　從圖可以看出，軟開關的特點是功率器件在零電壓條件下導通（或關

斷），在零電流條件下關斷（或導通）。與硬開關相比，軟開關的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開關損耗小。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，必須實現高頻化。要提高開關頻率，同時提高變換器的變換效率，就必須減小開關損耗。減小開關損耗的途徑就是實現開關管的軟開關，因此軟開關技術軟開關技術已經成為是開關變換技術的一個重要的研究方向。本文對軟開關和硬開關的工作特性進行比較，并對軟開關技術進行了詳細闡述。

　　2 硬開關的工作特性

　　圖3是開關管開關時的電壓和電流波形。開關管不是理想器件，因此在開關管開關工作時，要產生開通損耗和關斷損耗，統稱為開關損耗（Switching Loss）。開關頻率越高，總的開關損耗越大，變換器的效率就越低。開關損耗的存在限制了變換器開關頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。

　　
圖3 開關管開關時的電壓和電流波形

　　傳統PWM變換器中的開關器件工作在硬開關狀態，硬開關工作的四大缺陷妨礙了開關器件工作頻率的提高, 它存在如下問題：

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

　　（b）感性關斷問題：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實體電感）、當開關器件關斷時，由于通過該感性元件的di／dt很大，和dv/dt，從而產生大的電磁千擾（Electromagnetic Interference，EMI）,而且產生的尖峰電壓加在開關器件兩端，易造成電壓擊穿。

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

　　（d）二極管反向恢復問題：二極管由導通變為截止時存在著反向恢復期，在此期間內，二極管仍處于導通狀態，若立即開通與其串聯的開關器件，容易造成直流電源瞬間短路，產生很大的沖擊電流，輕則引起該開關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，開關管工作在硬開關條件下的開關的開關軌跡，圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區（Safety operation area，SOA），如果不改善開關管的開關條件，其開關軌跡很可能會超出安全工作區，導致開關管的損壞。

　　
圖4 開關管工作在硬開關條件下的開關軌跡

　　3 軟開關技術的特性和實現策略

　　從前面的分析可以知道，開關損耗包括開通損耗和關斷損耗。利用軟開關技術可以減小變換器的開通損耗和關斷。軟開關的開通和關斷波形如圖5所示。

　　
（a）零電流開通和關斷

　　
（b）零電壓開通和關斷

圖5 軟開關開通和關斷波形

軟開關的開通有以下幾種方法：

　　（a）零電流開通：在開關管開通時，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。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，軟開關的關斷有以下幾種方法：:

　　（a）零電流關斷：在開關管關斷前，使其電流減小到零。從圖5（a）可以看出關斷損耗基本減小到零。

　　（b）零電壓關斷：在開關管關斷時，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。從圖5（b）可以看出，關斷損耗大大減小。

　　（c）同時做到（a）和（b），在這種情況下，關斷損耗為零。

　　圖6給出了開關管工作在軟開關條件下的開關軌跡，從圖中可以看出，此時開關管的工作條件很好，不會超出安全工作區。

　　
圖6 開關管工作在軟開關條件下的開關軌跡

　　4 軟開關技術的實現及其類型

　　變換器的軟開關技術實際上是利用電感和電容來對開關的開關軌跡進行整形，最早的方法是采用有損緩沖電路來實現。從能量的角度來看，它是將開關損耗轉移到緩沖電路消耗掉

，從而改善開關管的開關條件。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技術不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開關損耗，而不是開關損耗的轉移。軟開關變換器有諧振型變換器、零開關PWM變換器、零轉換PWM變換器三種類型，以下將對其進行詳細分析：

　　（1）諧振型變換器

　　利用諧振現象，使電子開關器件上電壓或電流按正弦規律變化，以創造零電壓開通或零電流關斷的條件，以這種技術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，分為串聯諧振變換器（Series resonant converters, SRCs）和并聯諧振變換器（Parallel resonant converters, PRCs）兩類。

　　按載與諧振電路的連接關系，諧振變換器可分為兩類:一類是負載與諧振回路相串聯，稱為串聯負載（或串聯輸出）諧振變換器（Series load resonant converters, SLRCs，）;一類是負載與諧振回路相并聯，稱為并聯負載（