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1 引 言 開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開關(guān)，控制開元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的構(gòu)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(guān)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(tài)，開關(guān)晶體管要采用開關(guān)速度高、導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短的晶體臂，最典型的功率開關(guān)晶體管有功率晶體管（CTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)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(diào)制、脈頻調(diào)制、脈寬和頻率混合調(diào)制等3種，其中最常用的是脈寬調(diào)制（PWM）方式。 圖1 開關(guān)電源構(gòu)成框圖 從60年代開始得到發(fā)展和應(yīng)用的DC－DC PWM功率變換技術(shù)是一種硬開關(guān)技術(shù)。為了使開關(guān)電源在高頻狀態(tài)下也能高效率地運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界自70年代以來(lái)，不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)和硬開關(guān)波形比較如圖2所示。 圖2 軟開關(guān)和硬開關(guān)波形 從圖可以看出，軟開關(guān)的特點(diǎn)是功率器件在零電壓條件下導(dǎo)通（或關(guān)斷），在零電流條件下關(guān)斷（或?qū)ǎＥc硬開關(guān)相比，軟開關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開關(guān)損耗小。與此同時(shí)， du/dt和di/dt大為下降，所以它能消除相應(yīng)的電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI），提高了變換器的可靠性。同時(shí)，為了減小變換器的體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率，同時(shí)提高變換器的變換效率，就必須減小開關(guān)損耗。減小開關(guān)損耗的途徑就是實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，因此軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為是開關(guān)變換技術(shù)的一個(gè)重要的研究方向。本文對(duì)軟開關(guān)和硬開關(guān)的工作特性進(jìn)行比較，并對(duì)軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。 2 硬開關(guān)的工作特性 圖3是開關(guān)管開關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。開關(guān)管不是理想器件，因此在開關(guān)管開關(guān)工作時(shí)，要產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗（Switching Loss）。開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開關(guān)損耗的存在限制了變換器開關(guān)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(guān)管開關(guān)時(shí)的電壓和電流波形 傳統(tǒng)PWM變換器中的開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，硬開關(guān)工作的四大缺陷妨礙了開關(guān)器件工作頻率的提高, 它存在如下問題： （a）開通和關(guān)斷損耗大：在開通時(shí)，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊致使器件的開通損耗和關(guān)斷損耗隨開關(guān)頻率的提高而增加。 （b）感性關(guān)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?qū)嶓w電感）、當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，由于通過(guò)該感性元件的di／dt很大，和dv/dt，從而產(chǎn)生大的電磁千擾（Electromagnetic Interference，EMI）,而且產(chǎn)生的尖峰電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成電壓擊穿。 （c）容性開通問題：當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí)，儲(chǔ)藏在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部耗散在該開關(guān)器件內(nèi)，引起開關(guān)器件過(guò)熱損壞。 （d）二極管反向恢復(fù)問題：二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在著反向恢復(fù)期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件，容易造成直流電源瞬間短路，產(chǎn)生很大的沖擊電流，輕則引起該開關(guān)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(fù)載時(shí)，開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)的開關(guān)軌跡，圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區(qū)（Safety operation area，SOA），如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會(huì)超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。 圖4 開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡 3 軟開關(guān)技術(shù)的特性和實(shí)現(xiàn)策略 從前面的分析可以知道，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗。利用軟開關(guān)技術(shù)可以減小變換器的開通損耗和關(guān)斷。軟開關(guān)的開通和關(guān)斷波形如圖5所示。 （a）零電流開通和關(guān)斷 （b）零電壓開通和關(guān)斷 圖5 軟開關(guān)開通和關(guān)斷波形 軟開關(guān)的開通有以下幾種方法： （a）零電流開通：在開關(guān)管開通時(shí)，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(qū)。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(guān)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(shí)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(guān)的關(guān)斷有以下幾種方法：: （a）零電流關(guān)斷：在開關(guān)管關(guān)斷前，使其電流減小到零。從圖5（a）可以看出關(guān)斷損耗基本減小到零。 （b）零電壓關(guān)斷：在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，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(qū)。從圖5（b）可以看出，關(guān)斷損耗大大減小。 （c）同時(shí)做到（a）和（b），在這種情況下，關(guān)斷損耗為零。 圖6給出了開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡，從圖中可以看出，此時(shí)開關(guān)管的工作條件很好，不會(huì)超出安全工作區(qū)。 圖6 開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡 4 軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其類型 變換器的軟開關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電感和電容來(lái)對(duì)開關(guān)的開關(guān)軌跡進(jìn)行整形，最早的方法是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。從能量的角度來(lái)看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉，從而改善開關(guān)管的開關(guān)條件。這種方法對(duì)變換器的變換效率沒有提高，甚至?xí)阈视兴档汀Ｄ壳八芯康能涢_關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開關(guān)損耗，而不是開關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。軟開關(guān)變換器有諧振型變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器三種類型，以下將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析： （1）諧振型變換器 利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)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(zhǔn)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(shí)際上是負(fù)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(lián)諧振變換器（Series resonant converters, SRCs）和并聯(lián)諧振變換器（Parallel resonant converters, PRCs）兩類。 按載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類:一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載（或串聯(lián)輸出）諧振變換器（Series load resonant converters, SLRCs，）;一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載（或并聯(lián)輸出）諧振變換器（Parallel load resonant converters, PLRCs）,在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與諧振工作的全過(guò)程。該變換器與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。 （b）準(zhǔn)諧振變換器（Quasi-resonant converters, QRCs） ：它開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，其特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全程參與。由于正向和反向LC回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值不同，所以振蕩不對(duì)稱。一般正向正弦半波大過(guò)負(fù)向正弦半波，所以常稱為準(zhǔn)諧振。無(wú)論是串聯(lián)LC或并聯(lián)LC都會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)諧振。利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS QRCs）和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS QRCs）。 （c）多諧振變換器（Multi-resonant converters, MRCs）：它和準(zhǔn)諧振變換器一樣，也是開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，其特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全程參與。多諧振變換器的諧振回路、參數(shù)可以超過(guò)兩個(gè)，例如三個(gè)或更多，稱為多諧振變換器。多諧振變換器一般實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。 為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化，不隨負(fù)荷變化而變化（或基本不變），諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振變換器主要靠調(diào)整開關(guān)頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開關(guān)變換器那樣易控，這是因?yàn)檎{(diào)頻系統(tǒng)是依靠L、C振蕩使得電路產(chǎn)生諧振和準(zhǔn)諧振的，L、C振蕩所產(chǎn)生的正弦波具有較高的電壓或電流的有效值，通常會(huì)使導(dǎo)電損耗有所增加，功率器件所受的電壓與電流的應(yīng)力都要比相應(yīng)的硬開關(guān)PWM變換電路功率器件承受的壓力大，并且該應(yīng)力隨電路的Q值和負(fù)載變化而變化。調(diào)頻系統(tǒng)是依靠改變開關(guān)頻率來(lái)改變變換器的輸出，開關(guān)頻率大范圍變化使得濾波器、變壓器設(shè)計(jì)難以優(yōu)化，干擾難以抑制，而且由于調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)輸出，負(fù)載變化大時(shí)，相應(yīng)的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應(yīng)PWM變換電路窄，超前一定范圍后，變換電路不能達(dá)到零電壓或零電流開關(guān)條件，不能達(dá)到滿載或空載。因此為了克服調(diào)頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)和充分發(fā)揮PWM的優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)了零開關(guān)－PWM變換器和零轉(zhuǎn)換－PWM變換器。 （2）零開關(guān)PWM變換器（Zero switching PWM converters）:它可分為零電壓開關(guān)PWM變換器（Zero-voltage-switching PWM converters）和零電流開關(guān)PWM變換器（Zero-current-switching PWM converters）。該類變換器是在準(zhǔn)諧振變換器的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)輔助開關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。這樣，變換器已有電壓過(guò)零（或電流過(guò)零）控制的軟開關(guān)特點(diǎn)，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點(diǎn)。這時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開關(guān)串聯(lián)的。與準(zhǔn)諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開關(guān) 周期相比很短，一般為開關(guān)周期的1/10"1/5。 （3）零轉(zhuǎn)換PWM變換器（Zero transition converters）:零轉(zhuǎn)換－PWM變換器，與零開關(guān)－PWM變換器并無(wú)本質(zhì)上的差別，也是軟開關(guān)與PWM的結(jié)合。只不過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)與主電子開關(guān)是相并聯(lián)的。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器（Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters）和零電流開關(guān)PWM變換器（Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters）。這類變換器是軟開關(guān)技術(shù)的又一個(gè)飛躍。它的特點(diǎn)是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，在其他時(shí)間則停止工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。 5 結(jié) 論 為使開關(guān)電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢(shì)是高頻化。而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流。國(guó)際上開關(guān)變換器正向軟開關(guān)、高頻化發(fā)展。 |
