基于软开关技术高压直流电源的研究

祖琳,刘辉,万一兵

（西安中车永电捷通电气有限公司，陕西西安,710000）

0 引言

通过在硬开关的开关电路中引入很小的电感、电容等谐振元件，便可在开关过程前后引入谐振过程，使功率管在开通或关断过程中，或是两端的电压为零，即零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS），或是通过器件的电流为零，即零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）。这种开关方式可以消除开关过程中的电压、电流的重叠区，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关过程中的电磁干扰，从而可以大幅度地提高开关频率，继而可以提高效率，减小体积，提高电磁兼容性能力。

1 软开关技术

目前，开关电源普遍采用脉宽调制技术，在这种变换方式中开关器件是在大电流、高电压的条件下导通和关断的。由于变换电路中开关管并不是理想器件，在导通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，称为导通损耗（Turn-on loss）。同样，在开关管的关断过程中，电流和电压也有一个交叠区，并产生了损耗，称为关断损耗（Turn-off loss）。因此在开关管开关工作时，要产生导通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching loss）。

软开关技术通常是指零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。最理想的软开关过程是电流和电压没有有交叠区，这样就可以消除开关损耗。

图1 理想软开关波形和硬开关波形

2 软开关高压电源设计

2.1 主电路设计

本文主要研究零电流开关，如图2所示，其基本实现方法是与主开关管串联谐振电感，在开关管开通时阻止电流ci上升，这样在dV降至零值附近之后，ci保持较小值，因而获得了零损耗的开通过程。

图2 零电流开通基本原理

主电路如图3所示，采用变压器实现电源隔离的同时，利用变压器漏感kl和谐振电容rc构成准谐振回路，在功率开关器件A、B关断前，打开功率开关器件C，使准谐振回路工作，实现功率开关管零损耗关断。

图3 软开关直流电源主电路

由于变压器原边电感对电流的阻碍作用，当开关器件A或B导通时，电流sI保持较小值，实现了零损耗开通。开关器件C控制变压器漏感kl和谐振电容rc构成的准谐振回路，根据计算公式，在开关器件A或B关闭前，适时打开开关器件C，使准谐振回路工作，谐振电容rc由充电逐步到放电，当电流Is在零点附近时，关闭开关器件A或B，从而实现功率开关管零损耗关断。

2.2 实验分析

实验电路采用自主设计的8层控制电路板，主控制芯片为TI公司的TMS320F28335和XILINX公司的XC3S1500，其中DSP主要负责触发脉冲的产生与控制、上位机控制等，FPGA负责模拟信号采集、硬件电路保护等。

主电路拓扑为两组带软开关的斩波电路串联，后接整流电路和逆变电路，输入电压为3300V直流电，中间直流电压600V，输出三相交流电压400V，实验功率为100KVA。

软开关触发与斩波触发波形如图4所示，由相关公式计算可知，软开关触发脉宽为15us，软开关触发与斩波触发同时关断，斩波触发脉宽必须大于软开关脉宽。

变压器原边电流波形如图5所示，在斩波电路中IGBT关断之前，适时的打开软开关IGBT，可以形成谐振回路，当流过斩波电路IGBT电流在零附近时，关闭IGBT，实现零电流关断。

图4 软开关触发与斩波触发波形

图5 变压器原边电流波形

图6 三相逆变输出波形

逆变器三相电压输出如图6所示，输出电压400V，逆变器采用SPWM控制策略。

3 结论

本文研究了一种适用于斩波电路的软开关技术，并给出了详细的理论分析。通过大功率实验验证了该方法的有效性和可行性，达到了理想的效果。