電力電子軟開關技術綜述

石黃霞，何 穎，董曉紅

(新疆工程學院電氣與信息工程系，烏魯木齊 830091)

1 引言

軟開關技術是為了降低開關損耗、承受的耐壓以及電磁干擾、進一步提高開關頻率而產生的重要技術。它應用諧振原理，將PWM 控制方式和諧振變換器結合起來，使開關器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過零時，使器件關斷(或電壓為零時，使器件開通)，從而減少開關損耗。它不僅可以解決硬開關變換器中的硬開關損耗問題、容性開通問題、感性關斷問題及二極管反向恢復問題，而且還能解決由硬開關引起的EMI 等問題。

自上世紀70年代以來，各種軟開關技術快速興起。根據開關元件開通和關斷時電壓和電流的狀態，軟開關分為兩大類:零電壓開關(ZVS:Zero Voltage Switch)和零電流開關(ZCS:Zero Current Switch)。根據發展歷程，開關電路分為:準諧振變換電路、零開關PWM 變換電路和零轉換PWM 變換電路。

2 準諧振變換器

準諧振變換器(QRCs:Quasi－ Resonant－Converters)是20世紀80年代提出的一類DC－DC諧振變換器，是在原有變換器的拓撲結構上添加上諧振元件而形成的。在變換器工作的一個周期內，一部分時間諧振元件參與諧振，使功率開關管獲得零電壓或零電流開關條件，減小其開關損耗。根據諧振方式不同，準諧振變換器分為零電壓開關準諧振變換器(ZVS QRCs)和零電流開關準諧振變換器(ZCS QRCs)。

2.1 ZVS 電路［1－2］

4種零電壓開關準諧振變換器的拓撲如圖1 所示。以boost 變換器為例，其工作的基本思想是:電感L1 足夠大，使輸入側為恒流源，電容C2 足夠大，使輸出側為恒壓源。開關管導通時，諧振電容C1上的電壓為零;開關管關斷時，C1 限制開關管上電壓的上升率，實現零電壓關斷;開關管再導通時，L2和C1 諧振，使C1 上的電壓回到零，實現零電壓開通。

其一個工作周期分為4個工作狀態，如圖2 所示。其工作過程如下:

圖2 Boost 型ZVS QRCs的工作狀態圖

(a)電容充電階段［t0，t1］

t0時刻之前，VTP導通，輸入電流Ii經VTP續流，UC1=0。VD 關斷，iL2=0。

在t0時刻，關斷VTP，輸入電流Ii從VTP轉移到C1，給C1 恒流充電，VTP實現零電壓關斷。在t1時刻，UC1上升到輸出電壓Vo，VD 導通。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時刻VD 導通，L2 與C1 諧振工作，UC1從負電壓上升到0時開通VTP，實現零電壓開通。

(c)電感放電階段［t2，t3］

VTP開通，輸入電流Ii流經VTP，L2 兩端的電壓為－Vo，iL2線性減小。t3時刻，iL2減小到0，VD 關斷。

(d)自然續流階段［t3，t4］

t3時刻VD 關斷，輸入電流Ii經過VTP續流。在t4時刻，VTP零電壓關斷，開始下一個開關周期。

Boost 型ZVS QRCs的相平面圖和時域波形圖如圖3 所示。在這種變換器中，可實現很大的諧振頻率，但開關管的應力很大，它與實現ZVS的負載范圍有關。

圖3 Boost 型ZVS QRCs的相平面圖和時域波形圖

2.2 ZCS 電路［3－7］

4種零電流開關準諧振變換器拓撲如圖4 所示。

圖4 零電流開關準諧振變換器拓撲結構圖

以boost 變換器為例，其一個工作周期分為4個工作狀態，如圖5 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時刻之前，VTP關斷，續流二極管VD 導通。在t0時刻，VTP零電流開通，給L1 線性充電，當iL1上升到輸入電流Ii時，VD 關斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時刻VD 關斷，L1 與C1 諧振工作，iL1諧振到0時VTP零電流關斷。

(c)電容充電階段［t2，t3］

VTP關斷，輸入電流Ii給C1 恒流充電，t3時刻UC1上升到輸出電壓Vo，VD 導通。

(d)自然續流階段［t3，t4］

t3時刻VD 導通，輸入電流Ii經過VD 續流。在t4時刻，VTP零電流開通，開始下一個開關周期。

圖5 Boost 型ZCS QRCs的工作狀態圖

Boost 型ZCS QRCs的相平面圖和時域波形圖如圖6 所示。在這種變換器中，可實現很大的諧振頻率，但開關管的應力很大，導通損耗也較大。另外，導通時間會受到負載大小和諧振頻率的影響。

圖6 Boost 型ZCS QRCs的相平面圖和時域波形圖

3 零開關PWM 變換器

準諧振技術能夠減小開關的損耗，為了解決理想電力電子開關電路開關頻率固定的問題，一種能實現恒頻控制的ZVS－PWM 和ZCS－PWM 電路及其控制技術被提出。

3.1 ZVS－PWM 變換器［8－10］

一種boost 型ZVS－PWM 變換器拓撲結構如圖7，其一個工作周期分為5個工作狀態，如圖8 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時刻之前，主管S1 和輔管S2 關斷，D1 導通。在t0時刻，輔管S2 導通，iLr電流線性上升到輸入電流，D1 關斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時刻D1 關斷，Cr、Lr 諧振。t2時刻，Cr 電壓下正上負時，D3 導通，諧振電流達到最大值，S2 關斷，同時使S1 零電壓開通。

(c)換流階段［t2，t3］

t2時刻，使S2 關斷，由于Lr 中電流不能突變，其端壓瞬時反向使反并聯的D2 導通。S1 上電流迅速線性上升，在t3時刻上升至輸入電流，iLr為零，D2關斷。

(d)電容充電階段［t3，t4］

t3時刻，D2 關斷，同時使主管S1 零電壓關斷，向Cr 線性換流，對其充電，D3 關斷。t4時刻，Ucr達到輸出電壓，D1 導通。

(e)續流階段［t4，t5］

t4時刻D1 導通，輸入電流經主管D1 續流，一個開關周期結束，等待下一周期輔管S1 被觸發。

Boost 型ZVS－PWM的時域波形圖如圖8(f)所示。在這種變換器中，可實現恒頻率運行，電流應力比較小，但主管的電壓應力較大，在輕載情況下可能失去ZVS 條件。

3.2 ZCS－PWM 變換器［11－30］

一種ZCS－PWM 變換器基本單元及其相應的5種零電流PWM 變換器拓撲如圖9 所示。

以boost 變換器為例，其一個工作周期分為6個工作狀態，如圖10 所示。工作過程如下:

(a)電感放電階段［t0，t1］

t0時刻之前，主管S1 關斷，輸入電流Ii流經Lin，D1，Lr，D2，和Vo。在t0時刻，S1 零電流開通，Lr向輸出線性放電，電流由Ii至0，D1，D2 關斷。

(b)續流階段［t1，t2］

t1時刻D1，D2 關斷，輸入電流Ii經主管S1 續流。

(c)諧振階段［t2，t3］

t2時刻，輔管S2 零電流開通，Lr，Cr 開始諧振。iLr為0時，D1 導通。

(d)諧振階段［t3，t4］

t3時刻D1 導通，Lr，Cr 經由S1 回路繼續諧振。iLr反向時，S2的反并聯二極管導通。

(e)諧振階段［t4，t5］

t4時刻，S2的反并聯二極管導通，S2 零電壓、零電流關斷。t5時刻，諧振電流iLr與輸入電流Iin相等時，S1 關斷，S2的反并聯二極管關斷。

(f)電容放電階段［t5，t6］

t5時刻開始，電容Cr 線性放電至電壓為0，D2導通，Cr 被短路，回到初始狀態，等待主管被觸發開始下一周期。

Boost 型ZCS－PWM的時域波形圖如圖11 所示。在這種變換器中，可實現恒頻率運行，電壓應力比較小，但二極管的電壓應力較大，在重載情況下可能失去ZCS 條件。

4 零轉換PWM 變換器

由上述分析可知，ZVS－PWM 和ZCS－PWM 變換器已很接近理想特性，但它們的零開關條件和電源電壓及負載電流的變化范圍有關，在某些重載或輕載的特殊情況下可能失去零開關條件。為了解決這一問題，零電壓轉換(ZVT:Zero Voltage Transition)和零電流轉換(ZCT:Zero Current Transition)軟開關技術相應出現。

4.1 ZVT－PWM 變換器［31－35］

圖12為基本的boost 型ZVT－PWM 變換器拓撲，其一個工作周期分為5個工作狀態，如圖13 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時刻之前，主管S1 和輔管S2 關斷，D0 導通，輸入電流流經D0 向負載供電。在t0時刻，觸發輔管S2 導通，iLr電流線性上升。t1時刻，iLr上升到輸入電流，D0 關斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時刻D0 關斷，Cr、Lr 諧振。t2時刻，諧振電流達到最大值，Cr 電壓為零時，D1 導通，此時使S1零電壓開通。

(c)放電階段［t2，t3］

t2時刻，使S2 關斷，由于Lr 中電流不能突變，其端壓瞬時反向并使D3 導通，恒壓放電。在t3時刻，諧振電感電流減小到輸入電流時，D1 關斷，S1的電流迅速線性上升至輸入電流，iLr為零，D3 關斷。

(d)電容恒流充電階段［t3，t4］

t3時刻，D3 關斷，可使主管S1 零電壓關斷，向諧振電容Cr 恒流充電。t4時刻，Ucr 達到輸出電壓，D0 導通。

(e)續流階段［t4，t5］

t4時刻D0 導通，輸入電流經主管D0 續流，一個開關周期結束，等待下一周期輔管S1 被觸發。

Boost 型ZVT－PWM的時域波形圖如圖13(f)所示。在這種變換器中，可實現恒頻率運行，電壓應力比較小，主管電壓與電流無重疊。

5 結束語

目前，現代電力電子技術為了實現高功率和高功率密度，以及進一步小型化，開關頻率需要進一步提高。在硬開關狀態下工作，開關管不是理想器件，會造成整個系統的損耗隨著開關頻率的增加而增加，從而給裝置的小型化帶來了困難。因此，采用軟開關技術降低開關損耗、承受的耐壓以及電磁干擾，進一步提高開關頻率是非常重要和關鍵的。本文對軟開關技術中的準諧振變換電路、零開關PWM 變換電路和零轉換PWM 變換電路進行了分析和總結，為軟開關技術相關理論的學習提供了分析方法和思路，為進一步設計和開發性能更優良的變換器打下基礎。

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