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軟開關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電容與電感的諧振，使開關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓過零時(shí)，使器件開通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的近似零損耗。同時(shí)，有助于提高頻率，提高開關(guān)的容量，減小噪聲。

相對(duì)于軟開關(guān)，普通開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換器也叫硬開關(guān)。

按控制方式，軟開關(guān)可以分為：脈沖寬度脈沖頻率調(diào)制式（PFM）、脈沖頻率調(diào)制式（PWM）、脈沖移相式（PS）三種。

(相關(guān)資料圖)

一、PWM變換器

PWM控制方式是指在開關(guān)管工作頻率恒定的前提下，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是應(yīng)用最多的方式，適用于中小功率的開關(guān)電源。

1．零電流開關(guān)PWM變換器

圖1：Buck型ZCS-PWM變換器

上圖是增加輔助開關(guān)控制的Buck型零電流開關(guān)變換器。其工作過程與前面過程略有差異：

1）線性階段（S1、S2導(dǎo)通）：開始時(shí)，在LR作用下，S1零電流導(dǎo)通。隨后，因Uin作用，ILR線性上升，并到達(dá)ILR=Io。

2）正向諧振階段（S1、S2導(dǎo)通-關(guān)斷）：當(dāng)ILR=Io時(shí)，因CR開始產(chǎn)生電壓，VD在零電流下自然關(guān)斷。之后，LR與CR開始諧振，經(jīng)過半個(gè)諧振周期，ILR再次諧振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 為零，S2關(guān)斷，UCR和ILR將被保持，無法繼續(xù)諧振。

3）保持階段（S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷）：此狀態(tài)保持時(shí)間由PWM電路要求而定，保持期間，Uin正常向負(fù)載以I0供電。

4）反向諧振階段（S1導(dǎo)通-關(guān)斷、S2導(dǎo)通）：當(dāng)需要關(guān)斷S1時(shí)，可以控制重新打開S2，此時(shí)在LR作用下，S2電流為0。諧振再次開始，當(dāng)ILR反向諧振到0時(shí)， S1可在零電流零電壓下完成關(guān)斷。

5）恢復(fù)階段（S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通）：此后，UCR 在Io作用下，衰減到0。

6）續(xù)流階段（S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通-關(guān)斷）：UCR衰減到0后，VD自然導(dǎo)通開始續(xù)流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前以零壓零電流方式完成關(guān)斷。

可見，S1在前四個(gè)階段（線性、諧振、保持）均導(dǎo)通，恢復(fù)及續(xù)流時(shí)關(guān)斷。S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實(shí)現(xiàn)了自身的軟開關(guān)。

該電路的開關(guān)管及二極管均在零電壓或零電流條件下通斷，主開關(guān)電壓應(yīng)力低，但電流應(yīng)力大（諧振作用）。續(xù)流二極管電壓應(yīng)力大，而且諧振電感在主通路上，因而負(fù)載、輸入等將影響ZCS工作狀態(tài)。

2．零電壓開關(guān)PWM變換器

圖2：Boost型ZVS-PWM變換器

上面是Boost型零電壓諧振變換器。在每次S1導(dǎo)通前，首先輔助開關(guān)管S2導(dǎo)通，使諧振電路起振。S1兩端電壓諧振為0后，開通S1。S1導(dǎo)通后，迅速關(guān)斷S2，使諧振停止。此時(shí)，電路以常規(guī)PWM方式運(yùn)行。同樣，我們可以利用諧振再次關(guān)斷S1，CR使得主開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零關(guān)斷。S1、S2的配合控制，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)下的PWM調(diào)節(jié)。

該電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零壓導(dǎo)通，且保持恒頻率運(yùn)行。在較寬的輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)，可以滿足ZVS條件二極管零電流關(guān)斷。期缺點(diǎn)是輔助開關(guān)管不在軟件開關(guān)條件下運(yùn)行，但和主開關(guān)管相比，它只處理少量的諧振能量。

3．有源鉗位的零電壓開關(guān)PWM變換器

下圖為有源鉗位的ZVS開關(guān)PWM變換器，這是個(gè)隔離型降壓變換器。其中，LR為變壓器的漏電感，LM是變壓器的激磁電感。CR為S1、S2的結(jié)電容。這個(gè)電路巧妙地利用電路的寄生LR、CR產(chǎn)生諧振而達(dá)到ZVS條件。同時(shí)，CR有電壓鉗位作用，防止S1在關(guān)斷時(shí)過壓。

這里的輔助開關(guān)S2同樣是通過控制諧振時(shí)刻，來配合S1進(jìn)行軟開關(guān)。該電路具體工作過程從略。

圖3：有源鉗位ZVS-PWM正激變換器

（這個(gè)開關(guān)的課堂講解略）。

二、PFM變換器

PFM是指通過調(diào)節(jié)脈沖頻率（開關(guān)管的工作頻率）來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。它控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于它工作頻率不穩(wěn)定，因此一般用于負(fù)載及輸入電壓相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合。

1．Buck零電流開關(guān)變換器

圖4：Buck型ZCS準(zhǔn)諧振變換器

該電路就是前面動(dòng)態(tài)過程分析講的典型ZCS降壓型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。我們可利用諧振電流過零來實(shí)現(xiàn)S1通斷，脈寬事實(shí)上受諧振電路參數(shù)控制，但我們可以控制S1開通時(shí)刻（即頻率）來實(shí)現(xiàn)PFM。

2．Buck零電壓開關(guān)變換器

圖5：Buck型ZVS準(zhǔn)諧振變換器

這個(gè)電路是一個(gè)Buck型電路結(jié)構(gòu)它利用。它直接利用輸出電感作為諧振電感，和CR產(chǎn)生諧振。過程是：

1）線性階段（S導(dǎo)通）：S導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Uin將對(duì)CR充電，并提供輸出恒流I0。開始時(shí)，由于續(xù)流過程沒有結(jié)束，VD將維持一段時(shí)間向LR提供電流。

2）諧振階段1（S導(dǎo)通-關(guān)斷）：隨著CR電壓的上升，VD逐步承受反壓關(guān)斷。LR、CR開始諧振，輸入電源既要提供負(fù)載恒定電流，又要提供諧振電流。由于電源鉗位作用，VD無法恢復(fù)續(xù)流。諧振中，可以選擇某一時(shí)刻關(guān)斷S，關(guān)斷時(shí)兩端電壓為0。

3）諧振階段2（S關(guān)斷）：此后，LR、CR、CS共同諧振。當(dāng)CR電壓諧振到過零時(shí)，VD重新導(dǎo)通續(xù)流。

4）諧振階段3（S關(guān)斷-導(dǎo)通）：續(xù)流期間，LR、CS繼續(xù)諧振。當(dāng)CS電壓過零時(shí)，可以重新開通S。

這個(gè)電路是利用S的關(guān)斷時(shí)刻來達(dá)到PFM調(diào)節(jié)的。

三、PS軟開關(guān)變換器

脈沖移相軟開關(guān)變換器用于橋式變換器。橋式變換器必須是在對(duì)角開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才輸出功率。我們可以通過調(diào)整對(duì)角開關(guān)管的重合角度，來達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。在中、大功率電源中，經(jīng)常使用這種變換器。

1．移相全橋零電壓零電流變換器

下圖是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全橋-零電壓零電流-脈寬調(diào)制）變換器電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖。

C1C、C2C是開關(guān)管結(jié)電容或并聯(lián)電容，LR為變壓器的漏電感，LS為串聯(lián)的飽和電感，Cb為阻斷電容。VD1-VD4用做續(xù)流二極管。

原理簡(jiǎn)述：這是一個(gè)全波橋軟開關(guān)變換器，我們可以讓S3、S4在移相時(shí)滯后，則我們把S1、S2稱為超前橋臂，S3、S4稱為滯后橋臂。S1、S2可以在LR、LS、C1C、C2C、副邊耦合電感等的諧振作用下，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。在電流過零時(shí)，由于阻斷電容、飽和電感作用，使得零電流有一定保持時(shí)間，在此期間，S3、S4實(shí)現(xiàn)零開關(guān)。

如果把LS、Cb去掉，在S3、S4兩端并聯(lián)兩個(gè)諧振電容，就構(gòu)成了移相全橋零電壓變換器。

圖6：移相全橋零電壓零電流變換器

2．不對(duì)稱移相全橋零電壓零電流變換器

下圖中，超前臂外接了旁路電容和反并二極管，而滯后臂則沒有。所以稱為不對(duì)稱移相全橋變換器。這個(gè)電路同樣是通過諧振在零壓時(shí)開關(guān)S1、S3，而在零電流開關(guān)S2、S4。

這個(gè)電路和對(duì)稱全橋的區(qū)別是，對(duì)稱全橋由于滯后橋臂有續(xù)流二極管和電容，因此在電流過零后，將形成反向流通渠道，因此要有比較大的電感來維持電流過零的時(shí)間，以完成對(duì)滯后橋臂的開關(guān)。而不對(duì)稱全橋則因?yàn)闇髽虮蹧]有了通路，因此過零后能保持在零電流，以便完成滯后臂的開關(guān)。

同時(shí)，由于對(duì)稱全橋電路原邊串聯(lián)了比較大的電感，因而電源效率會(huì)有一定損失。而不對(duì)稱電路可以不串較大電感，所以損耗降低，電源效率得以提高。

下面是該電路的工作過程要點(diǎn)分析如下：

圖7：不對(duì)稱移相全橋零電壓零電流變換器

1） 先看對(duì)角導(dǎo)通，如S1、S4開通時(shí)，原邊能量正常向副邊傳輸，C2、Cc充電。

2） 當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，C1充電，C2放電，原邊電流方向不變。由于C1上升是漸進(jìn)的，所以S1屬于零壓關(guān)斷。

3） 當(dāng)C2放電過零，VD2開始反向?qū)〞r(shí)，可以控制S3導(dǎo)通，因此S3為零壓導(dǎo)通。

4） S3導(dǎo)通上升沿觸發(fā)一單穩(wěn)態(tài)脈沖，控制輔管Sc導(dǎo)通。此時(shí)，Cc電壓被瞬間接到變壓器副邊。從而在原邊產(chǎn)生一瞬間高壓，此較高電壓將加快原邊電流迅速復(fù)位歸零。

5） 當(dāng)電流回零后，輔管關(guān)斷。此時(shí)副邊又被鉗制在近似短路的低電壓，原邊電壓也迅速降低。使得C3電壓反向加到S4上，促使S4在零電流下關(guān)斷。

6） 此時(shí)，在Lk作用下，同時(shí)可以零電流開通S2。電流換向成功，進(jìn)入下半個(gè)周期。

7） 副邊在原邊換向的同時(shí)，也完成換向，且由于Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰電壓。

四、其它軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展概況

其實(shí)，為了提高對(duì)輸入電壓、負(fù)載變化的適應(yīng)能力，降低開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力，減少開關(guān)損耗等目的，其它改進(jìn)型的軟開關(guān)類型還有很多，也有許多問題需要討論，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是這些篇幅所能探討的。這里只簡(jiǎn)單瀏覽相關(guān)典型軟開關(guān)電路，感興趣者可查閱相關(guān)專業(yè)資料。

1、 半橋不對(duì)稱PWM變換器

與全橋變換器不同，在合適的控制方案下，半橋電路也可以組成不對(duì)稱ZVS變換器，但無法構(gòu)成ZVZCS電路。它可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零壓切換，且在寬負(fù)載和輸入電壓范圍實(shí)現(xiàn)恒頻PWM調(diào)節(jié)。

2、 有源與無源軟開關(guān)

一般的軟開關(guān)，分為有源和無源兩種。傳統(tǒng)的軟開關(guān)要附加有源器件（如開關(guān)）及控制電路，近幾年逐步開始開發(fā)無源軟開關(guān)，從而促進(jìn)了電路的簡(jiǎn)化和開關(guān)電源的成本降低。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)dv/dt、di/dt的降低，從而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除電路中的有源部分。

3、 DC/DC變換器

DC/DC變換器實(shí)際上就是前面講到的各類變換器。只是去掉開關(guān)電源的輸入電路及部分輸出整流器件，形成簡(jiǎn)單的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊。這類器件目前取得了較大范圍的應(yīng)用，使得用戶可以簡(jiǎn)單地構(gòu)件自己的電源系統(tǒng)。

這種器件的研發(fā)，成為開關(guān)電源的一個(gè)重要分支。

4、 軟開關(guān)逆變器

借用軟開關(guān)的概念，在全橋電路上適當(dāng)改進(jìn)，可以構(gòu)成軟開關(guān)全橋有源逆變器電路。所以，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用不僅僅限于開關(guān)電源本身，其它類似功率變換電路也可以借用這個(gè)技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)，從而降低損耗，提高效率。典型的如變頻器、電機(jī)保護(hù)器。

5、三電平電路

在大功率高電壓變換電路中，管子的電壓應(yīng)力必須盡量降低。因此，研發(fā)了所謂三電平電路。通過增加“變換電感”和電容器件，達(dá)到降低電壓應(yīng)力的目的。這個(gè)方案可以使開關(guān)管電壓應(yīng)力降低到輸入直流電壓的一半。

6、 其它電路及發(fā)展方向

變換器電路實(shí)際還有很多問題需要討論，我們?cè)谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)不可能完全涉及。

變換器目前的發(fā)展大體有如下兩個(gè)主要趨勢(shì)：

（1） 朝高功率密度、大電流發(fā)展。以滿足高功率電源需要。

（2） 朝低壓發(fā)展，以滿足低損耗系統(tǒng)的需要。目前在1VDC電源方向展開了一系列研究。

審核編輯：湯梓紅