电力电子软开关技术综述

石黄霞，何 颖，董晓红

(新疆工程学院电气与信息工程系，乌鲁木齐 830091)

1 引言

软开关技术是为了降低开关损耗、承受的耐压以及电磁干扰、进一步提高开关频率而产生的重要技术。它应用谐振原理，将PWM 控制方式和谐振变换器结合起来，使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断(或电压为零时，使器件开通)，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。

自上世纪70年代以来，各种软开关技术快速兴起。根据开关元件开通和关断时电压和电流的状态，软开关分为两大类:零电压开关(ZVS:Zero Voltage Switch)和零电流开关(ZCS:Zero Current Switch)。根据发展历程，开关电路分为:准谐振变换电路、零开关PWM 变换电路和零转换PWM 变换电路。

2 准谐振变换器

准谐振变换器(QRCs:Quasi－ Resonant－Converters)是20世纪80年代提出的一类DC－DC谐振变换器，是在原有变换器的拓扑结构上添加上谐振元件而形成的。在变换器工作的一个周期内，一部分时间谐振元件参与谐振，使功率开关管获得零电压或零电流开关条件，减小其开关损耗。根据谐振方式不同，准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器(ZVS QRCs)和零电流开关准谐振变换器(ZCS QRCs)。

2.1 ZVS 电路［1－2］

4种零电压开关准谐振变换器的拓扑如图1 所示。以boost 变换器为例，其工作的基本思想是:电感L1 足够大，使输入侧为恒流源，电容C2 足够大，使输出侧为恒压源。开关管导通时，谐振电容C1上的电压为零;开关管关断时，C1 限制开关管上电压的上升率，实现零电压关断;开关管再导通时，L2和C1 谐振，使C1 上的电压回到零，实现零电压开通。

其一个工作周期分为4个工作状态，如图2 所示。其工作过程如下:

图2 Boost 型ZVS QRCs的工作状态图

(a)电容充电阶段［t0，t1］

t0时刻之前，VTP导通，输入电流Ii经VTP续流，UC1=0。VD 关断，iL2=0。

在t0时刻，关断VTP，输入电流Ii从VTP转移到C1，给C1 恒流充电，VTP实现零电压关断。在t1时刻，UC1上升到输出电压Vo，VD 导通。

(b)谐振阶段［t1，t2］

t1时刻VD 导通，L2 与C1 谐振工作，UC1从负电压上升到0时开通VTP，实现零电压开通。

(c)电感放电阶段［t2，t3］

VTP开通，输入电流Ii流经VTP，L2 两端的电压为－Vo，iL2线性减小。t3时刻，iL2减小到0，VD 关断。

(d)自然续流阶段［t3，t4］

t3时刻VD 关断，输入电流Ii经过VTP续流。在t4时刻，VTP零电压关断，开始下一个开关周期。

Boost 型ZVS QRCs的相平面图和时域波形图如图3 所示。在这种变换器中，可实现很大的谐振频率，但开关管的应力很大，它与实现ZVS的负载范围有关。

图3 Boost 型ZVS QRCs的相平面图和时域波形图

2.2 ZCS 电路［3－7］

4种零电流开关准谐振变换器拓扑如图4 所示。

图4 零电流开关准谐振变换器拓扑结构图

以boost 变换器为例，其一个工作周期分为4个工作状态，如图5 所示。其工作过程如下:

(a)电感充电阶段［t0，t1］

t0时刻之前，VTP关断，续流二极管VD 导通。在t0时刻，VTP零电流开通，给L1 线性充电，当iL1上升到输入电流Ii时，VD 关断。

(b)谐振阶段［t1，t2］

t1时刻VD 关断，L1 与C1 谐振工作，iL1谐振到0时VTP零电流关断。

(c)电容充电阶段［t2，t3］

VTP关断，输入电流Ii给C1 恒流充电，t3时刻UC1上升到输出电压Vo，VD 导通。

(d)自然续流阶段［t3，t4］

t3时刻VD 导通，输入电流Ii经过VD 续流。在t4时刻，VTP零电流开通，开始下一个开关周期。

图5 Boost 型ZCS QRCs的工作状态图

Boost 型ZCS QRCs的相平面图和时域波形图如图6 所示。在这种变换器中，可实现很大的谐振频率，但开关管的应力很大，导通损耗也较大。另外，导通时间会受到负载大小和谐振频率的影响。

图6 Boost 型ZCS QRCs的相平面图和时域波形图

3 零开关PWM 变换器

准谐振技术能够减小开关的损耗，为了解决理想电力电子开关电路开关频率固定的问题，一种能实现恒频控制的ZVS－PWM 和ZCS－PWM 电路及其控制技术被提出。

3.1 ZVS－PWM 变换器［8－10］

一种boost 型ZVS－PWM 变换器拓扑结构如图7，其一个工作周期分为5个工作状态，如图8 所示。其工作过程如下:

(a)电感充电阶段［t0，t1］

t0时刻之前，主管S1 和辅管S2 关断，D1 导通。在t0时刻，辅管S2 导通，iLr电流线性上升到输入电流，D1 关断。

(b)谐振阶段［t1，t2］

t1时刻D1 关断，Cr、Lr 谐振。t2时刻，Cr 电压下正上负时，D3 导通，谐振电流达到最大值，S2 关断，同时使S1 零电压开通。

(c)换流阶段［t2，t3］

t2时刻，使S2 关断，由于Lr 中电流不能突变，其端压瞬时反向使反并联的D2 导通。S1 上电流迅速线性上升，在t3时刻上升至输入电流，iLr为零，D2关断。

(d)电容充电阶段［t3，t4］

t3时刻，D2 关断，同时使主管S1 零电压关断，向Cr 线性换流，对其充电，D3 关断。t4时刻，Ucr达到输出电压，D1 导通。

(e)续流阶段［t4，t5］

t4时刻D1 导通，输入电流经主管D1 续流，一个开关周期结束，等待下一周期辅管S1 被触发。

Boost 型ZVS－PWM的时域波形图如图8(f)所示。在这种变换器中，可实现恒频率运行，电流应力比较小，但主管的电压应力较大，在轻载情况下可能失去ZVS 条件。

3.2 ZCS－PWM 变换器［11－30］

一种ZCS－PWM 变换器基本单元及其相应的5种零电流PWM 变换器拓扑如图9 所示。

以boost 变换器为例，其一个工作周期分为6个工作状态，如图10 所示。工作过程如下:

(a)电感放电阶段［t0，t1］

t0时刻之前，主管S1 关断，输入电流Ii流经Lin，D1，Lr，D2，和Vo。在t0时刻，S1 零电流开通，Lr向输出线性放电，电流由Ii至0，D1，D2 关断。

(b)续流阶段［t1，t2］

t1时刻D1，D2 关断，输入电流Ii经主管S1 续流。

(c)谐振阶段［t2，t3］

t2时刻，辅管S2 零电流开通，Lr，Cr 开始谐振。iLr为0时，D1 导通。

(d)谐振阶段［t3，t4］

t3时刻D1 导通，Lr，Cr 经由S1 回路继续谐振。iLr反向时，S2的反并联二极管导通。

(e)谐振阶段［t4，t5］

t4时刻，S2的反并联二极管导通，S2 零电压、零电流关断。t5时刻，谐振电流iLr与输入电流Iin相等时，S1 关断，S2的反并联二极管关断。

(f)电容放电阶段［t5，t6］

t5时刻开始，电容Cr 线性放电至电压为0，D2导通，Cr 被短路，回到初始状态，等待主管被触发开始下一周期。

Boost 型ZCS－PWM的时域波形图如图11 所示。在这种变换器中，可实现恒频率运行，电压应力比较小，但二极管的电压应力较大，在重载情况下可能失去ZCS 条件。

4 零转换PWM 变换器

由上述分析可知，ZVS－PWM 和ZCS－PWM 变换器已很接近理想特性，但它们的零开关条件和电源电压及负载电流的变化范围有关，在某些重载或轻载的特殊情况下可能失去零开关条件。为了解决这一问题，零电压转换(ZVT:Zero Voltage Transition)和零电流转换(ZCT:Zero Current Transition)软开关技术相应出现。

4.1 ZVT－PWM 变换器［31－35］

图12为基本的boost 型ZVT－PWM 变换器拓扑，其一个工作周期分为5个工作状态，如图13 所示。其工作过程如下:

(a)电感充电阶段［t0，t1］

t0时刻之前，主管S1 和辅管S2 关断，D0 导通，输入电流流经D0 向负载供电。在t0时刻，触发辅管S2 导通，iLr电流线性上升。t1时刻，iLr上升到输入电流，D0 关断。

(b)谐振阶段［t1，t2］

t1时刻D0 关断，Cr、Lr 谐振。t2时刻，谐振电流达到最大值，Cr 电压为零时，D1 导通，此时使S1零电压开通。

(c)放电阶段［t2，t3］

t2时刻，使S2 关断，由于Lr 中电流不能突变，其端压瞬时反向并使D3 导通，恒压放电。在t3时刻，谐振电感电流减小到输入电流时，D1 关断，S1的电流迅速线性上升至输入电流，iLr为零，D3 关断。

(d)电容恒流充电阶段［t3，t4］

t3时刻，D3 关断，可使主管S1 零电压关断，向谐振电容Cr 恒流充电。t4时刻，Ucr 达到输出电压，D0 导通。

(e)续流阶段［t4，t5］

t4时刻D0 导通，输入电流经主管D0 续流，一个开关周期结束，等待下一周期辅管S1 被触发。

Boost 型ZVT－PWM的时域波形图如图13(f)所示。在这种变换器中，可实现恒频率运行，电压应力比较小，主管电压与电流无重叠。

5 结束语

目前，现代电力电子技术为了实现高功率和高功率密度，以及进一步小型化，开关频率需要进一步提高。在硬开关状态下工作，开关管不是理想器件，会造成整个系统的损耗随着开关频率的增加而增加，从而给装置的小型化带来了困难。因此，采用软开关技术降低开关损耗、承受的耐压以及电磁干扰，进一步提高开关频率是非常重要和关键的。本文对软开关技术中的准谐振变换电路、零开关PWM 变换电路和零转换PWM 变换电路进行了分析和总结，为软开关技术相关理论的学习提供了分析方法和思路，为进一步设计和开发性能更优良的变换器打下基础。

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