原创 软开关技术综述

　　1  引  言

　　开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。

　　
图1  开关电源构成框图

　　从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。软开关和硬开关波形比较如图2所示。

　　
图2  软开关和硬开关波形

　　从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关 断），在零电流条件下关断（或导通）。与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。与此同时， du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。

　　2  硬开关的工作特性

　　图3是开关管开关时的电压和电流波形。开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。

　　
图3  开关管开关时的电压和电流波形

　　传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高, 它存在如下问题：

　　（a）开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。

　　（b）感性关断问题：电路中难免存在感性元件（引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感）、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di／dt很大，和dv/dt，从而产生大的电磁千扰（Electromagnetic Interference，EMI）,而且产生的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。

　　（c）容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。

　　（d）二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管耗急剧增加，重则致其损坏。图4给出了接感性负载时，开关管工作在硬开关条件下的开关的开关轨迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区（Safety operation area，SOA），如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。

　　
图4  开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹

　　3  软开关技术的特性和实现策略

　　从前面的分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和关断损耗。利用软开关技术可以减小变换器的开通损耗和关断。软开关的开通和关断波形如图5所示。

　　
（a）零电流开通和关断                        

　　
（b）零电压开通和关断

图5  软开关开通和关断波形

软开关的开通有以下几种方法：

　　（a）零电流开通：在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区。从图5（a）可以看出，开通损耗大大减小。

　　（b）零电压开通：在开关管开通前，便其电压下降到零。从图5（b）可以看出，开通损耗基本减小到零。

　　（c）同时做到（a）和（b），在这种情况下，开通损耗为零。这种情况最为理想。

　　   同理，软开关的关断有以下几种方法：:

　　（a）零电流关断：在开关管关断前，使其电流减小到零。从图5（a）可以看出关断损耗基本减小到零。

　　（b）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区。从图5（b）可以看出，关断损耗大大减小。

　　（c）同时做到（a）和（b），在这种情况下，关断损耗为零。

　　图6给出了开关管工作在软开关条件下的开关轨迹，从图中可以看出，此时开关管的工作条件很好，不会超出安全工作区。

　　
图6  开关管工作在软开关条件下的开关轨迹

　　4  软开关技术的实现及其类型

　　变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉 ，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会便效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。软开关变换器有谐振型变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器三种类型，以下将对其进行详细分析：

　　（1）谐振型变换器

　　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，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。它又可以分为全谐振型变换器、准谐振变换器和多谐振变换器三种类型。

　　（a）全谐振型变换器

       一般称之为谐振变换器（Resonant converters）。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照不同的分类方式，它又可以分为不同的类型。

　　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。

　　按载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类:一类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载（或串联输出）谐振变换器（Series load resonant converters, SLRCs，）;一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载（或并联输出）谐振变换器（Parallel load resonant converters, PLRCs）,在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与谐振工作的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。

　　（b）准谐振变换器（Quasi-resonant converters, QRCs） ：它开关技术的一次飞跃，其特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。由于正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值不同，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大过负向正弦半波，所以常称为准谐振。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振。利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器（Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS QRCs）和零电压开关准谐振变换器（Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS QRCs）。

　　（c）多谐振变换器（Multi-resonant converters, MRCs）：它和准谐振变换器一样，也是开关技术的一次飞跃，其特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回路、参数可以超过两个，例如三个或更多，称为多谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。        为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随负荷变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。调频系统不如PWM开关变换器那样易控，这是因为调频系统是依靠L、C振荡使得电路产生谐振和准谐振的，L、C振荡所产生的正弦波具有较高的电压或电流的有效值，通常会使导电损耗有所增加，功率器件所受的电压与电流的应力都要比相应的硬开关PWM变换电路功率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值和负载变化而变化。调频系统是依靠改变开关频率来改变变换器的输出，开关频率大范围变化使得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制，而且由于调频来调节输出，负载变化大时，相应的电压和电流调节范围比相应PWM变换电路窄，超前一定范围后，变换电路不能达到零电压或零电流开关条件，不能达到满载或空载。因此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。

　　（2）零开关PWM变换器（Zero switching PWM converters）:它可分为零电压开关PWM变换器（Zero-voltage-switching PWM converters）和零电流开关PWM变换器（Zero-current-switching PWM converters）。该类变换器是在准谐振变换器的基础上，加上一个辅助开关管，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。这时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。

　　（3）零转换PWM变换器（Zero transition converters）:零转换－PWM变换器，与零开关－PWM变换器并无本质上的差别，也是软开关与PWM的结合。只不过谐振网络与主电子开关是相并联的。它可分为零电压转换PWM变换器（Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters）和零电流开关PWM变换器（Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters）。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。

　　5  结  论

　　为使开关电源轻、小、薄，发展趋势是高频化。而高频化使传统的PWM开关功耗加大、效率降低、噪声增加。因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。国际上开关变换器正向软开关、高频化发展。

　　参考文献： 
       [1] “An improved family of zero-voltage-transition PWM converter”, Yan Zhu, Daohong Ding, proceedings of International Power Electronics & Motion Control Conference, 1996, Page（s）:317-321
       [2] “Power electronic converter technology” Steigerwald, R.L, Proceedings of the IEEE , Volume: 89 Issue: 6 , June 2001 , Page（s）: 890 –897
       [3] 新颖开关稳压电源，叶慧贞，杨兴洲 编著，国防工业出版社。
       [4] 开关电源的原理与设计，张占松，蔡宣三 编著，电子工业出版社。