软开关功率开关管的发展

现代电力电子朝着小型化、轻量化方向发展.对效率和电磁兼容也有了更高的要求。随着电力电子装置的高频化的发展趋势.滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。但同时导致开关损耗增加，电磁干扰增大。而基于软开关技术的谐振变换器正是适应这样的趋势而发展起来的，它可以降低开关损耗和开关噪声.进一步提高开关频率。将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM 的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关。

在软开关技术出现之前，通过控制门极来控制开关管的开通和关断，在此过程中，开通电压或关断电流相当大，这种被称之为硬开关的开关方式造成很大的开关损耗，由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展，必然要求开关频率越来越高。当开关频率很高时，往往造成开关过程中di/dt和du/dt很大，给电路造成严重的噪声污染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰，软开关技术的出现解决了这一系列问题。软开关技术就是指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零或者关断前电流先降为零，这样，就实现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低了开关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。

软开关电路的发展经历了3个阶段，分别是：准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM 电路，下面分别阐述。

准谐振电路

(1)最先出现的软开关电路是零电压零电流准谐振电路拓扑结构，20世纪70年代末80年代初准谐振技术得到广泛关注，因为它能够通过谐振来整定电压和电流的波形，使大电压和大电流不能同时出现，这样就大大减少了开关应力和功率损耗。但是它也存在自身的缺点：谐振使电压峰值很高，要求所用的器件耐压性能好;电流的有效值很大，另外，它要求对脉冲频率调制，变化的频率为电路设计造成了困难。1990年，Ivo Barbi，Julio C O Bolacell，Denizar C Martins和Fausto B Libano提出了一个降压型脉宽调制零电流开关(见图1)，并且和由F.C.Lee提出的传统的调频降压准谐振结构(见图2)做了比较。

(2)零电压开关准谐振变换器电压应力大，负载变化范围小，这一限制可通过零电压多谐振技术得到大大改进。多谐振电路使所有的寄生元素包括半导体开关的结电容和变压器漏电感组合成一个多谐振网，这样就使各种形式的寄生振荡最小化，甚至能够在无负载的情况下实现零电压开关。1990年，Milan Jovanovic和Fred C.Y.Lee针对半桥零电压开关多谐振变换器(见图3)作了全面的直流分析，第1次通过实验验证了不同开关状态下4种工作模式，并分别作了波形分析，画出了每种模式的等效电路。

(3)适用于逆变器的谐振直流环节目前仍在研究应用中。2004年，S.Beherd，S.P.Das和S.R.Doradla提出了一种新型的多用准谐振三相逆变器结构，组成准谐振直流环节的组件包括4个开关元件、2个谐振电感和一个谐振电容，其中2个开关和谐振直流环节串联，另外2个与之并联。这种拓扑结构采用空间矢量调节，工作于软开关状态，无源或有源三相负载低功率因数和高功率因数负载均适用。

零开关PWM 电路零开关

PWM电路包括零电压开关PWM和零电流开关PWM。最初的零开关PWM电路是零电压型的，它是由零电压开关准谐振电路(ZVS—QRC)的谐振电感两端接一个开关得到的。这样就把PWM技术和软开关技术结合起来，使之工作于固定的开关频率下，且开关承受的电压明显比准谐振电路中的开关承受的电压低。S.Moisseev，S.Hamada和M.Nakaoka提出了一种新型的全桥软开关相移PWM DC—DC功率变换器电路，在这种新型的电路中(见图4)，输出端采用了一个带有分接头的电感滤波器，其优点是：能够在不增加谐振电路和辅助开关器件的情况下实现软开关并使环路电流达到最小。

零转换PWM 电路

与零开关不同的是谐振电路与主开关并联，这样可以使谐振电路受负载和输入电压的影响变小，使电路在输入电压宽范围内且负载由空载到满载内均能工作于软开关状态。最初的零电压转换技术是1991年由F.C.Lee，Hua G.和Leu C.S.设计提出的。在这种零电压转换电路中，换相是由与主开关或主二极管并联的吸收电容辅助完成的，而且在主开关关断期间滤波器电流方向可以使辅助电路保持不工作状态，而仅在主开关开通过程中发生作用，这样可以降低传输损耗。因此，近年来研究人员对零转换技术大为关注，出现了诸多的零转换电路拓扑结构，但是各种电路拓扑总是存在不同形式的缺陷。为了便于人们对零电压转换电路作进一步的详细分析和研究，M.L.Martins，J.L.Russi和H.L.Hey通过研究近年来出现的各种零电压转换电路，提出了一种新的分类方法：根据辅助电压源的不同进行分类。

按照这种分类方法，所出现的零电压转换PWM变换器大致分为如下3类：(1)带有开关式辅助电压源型;(2)带有直流辅助电压源型;(3)带有谐振式辅助电压源型。这样便于人们对零电压转换脉宽调制技术的整体性研究探索，由于人们越来越深入地研究，必将有更多的新型电路拓扑出现。

软开关技术的新进展随着电力电子技术的发展，目前对电力电子装置的要求愈加趋向于小型化，轻量化，并希望能提高开关频率，但是目前开关器件的频率已接近于极限，并且随着频率的提高又带来了噪声污染、电磁干扰、开关应力、开关损耗等一系列问题。目前的研究仍是针对解决上述问题而进行的，最近的研究成果包括新型电路结构的出现和应用范围的不断扩大等。Chen—ming Wang提出了一种新型的功率因数校正器。这种功率因数校正器采用传统的脉宽调制，软换相技术及瞬时平均线电流控制方法。他设计了一种新的零电压开关脉宽调制(ZVS—PWM)辅助电路，可实现主开关和辅助开关的零电压开关，辅助开关实现零电流开关，其主开关软换相时电流应力小，传输损耗小。H.Ogiwara，M.Itoi和M.Nakaoka设计出一种新型的单端推挽式软开关高频逆变器，该逆变器应用于高频感应加热装置。这一新模型是在传统电路的基础上加上谐振电路。这样可实现软开关并且在对称的PWM辅助电路下能在大范围内连续调节输出功率，其工作频率固定为20 kI-Iz，用在家用加热电器中具有很好的安全性和高效性。C.M.Wang，H-J.Chiu和D.R.Chen提出了一种新型的零电流PWM开关单元，这种开关单元可以使主开关和辅助开关都能在零电流时开通和关断。这种变换器的优点是：工作于固定频率，减少了换相损耗。只采用了一个谐振电感使电路的结构简单且电流应力小，它适用于采用IGBT的大功率场合。

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如今，软开关变换器都应用了谐振原理，在电路中并联或串联谐振网络，势必产生谐振损耗，并使电路受到固有问题的影响。为此。人们提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点，电路中既可以存在零电压开通，也可以存在零电流关断，同时既可以包含零电流开通，也可以包含零电压关断，是这4种状态的任意组合。

近年来，人们针对全桥软开关变换器提出了不少拓扑，大致可分为ZVS，ZCS和ZVZCS三种策略。ZVS方式中，功率器件输出电容与变压器漏感谐振，器件在零电压状态下开通。但变压器副边整流管换流使输出电压发生占空比丢失，且滞后桥臂零不易实现ZVS。ZCS方式中，变压器原边电流复位，器件在零电流状态下关断，但谐振电容电压换向使输出电流发生占空比丢失，且滞后桥臂较难实现ZCS。电子负载中，DC/DC为低压大电流的升压变换，特点是变压器原边输入电流和副边输出电压很大，所以，这两种方式都会造成系统效率的严重降低，是不可接受的。ZVZCS变换策略则可避免上述两方式固有的缺陷。

本设计是用在变压器副边并联储能电容C1，C2的方法来实现原边电流的复位〔1〕，如所示，共有六种工作模式：

模式0：(t2，t3)区间。在t2时刻导通Q4，变压器漏感Lk与C1，C2谐振使C1，C2通过D7充电，由于D5，D6的箝位作用，C1，C2充电至V2，能量由变压器原边流向C1，C2和负载。

模式1：(t3，t4)区间。Q1，Q2导通，能量由变压器原边流向负载。

模式2：(t4，t5)区间。在t4时刻关断Q1，由于Cp1上的电压为零，Q1为零电压关断，此后Cp1充电，Cp3放电，V1减小，当变压器副边电压小于V2时，C1，C2开始放电。能量由C1，C2和变压器原边流向负载。

模式3：(t5，t7)区间。Cp3放电完毕，D3导通，此时导通Q3，由于D3的箝位作用，Q3为零电压开通。V1减小，C1，C2继续放电，变压器副边二极管整流桥反偏，变压器副边电流为零，原边只有很小的励磁电流，近似于开路。负载电流流过C1，C2和续流二极管，变压器原副边没有能量的联系。

模式4：(t7，t8)区间。在t7时刻关断Q4，由于变压器原边电流近似为零，Q4为零电流关断。C1，C2放电完毕后，负载电流只流过续流二极管，变压器原副边电流仍近似为零。

模式5：(t8，.)区间。在t8时刻导通Q2，由于变压器原边电流近似为零，Q2为零电流开通。变压器原边电流反向，重复模式0，下半个周期开始。

4 结语

随着电力电子技术的不断发展。软开关技术正由新兴技术不断走向成熟。研究人员不断取得新的进展。使电力系统的转换和传输中能量损耗不断降低，电磁干扰逐渐减少，噪声污染正进一步得到解决。开关电源的发展趋势是轻、小、薄和高频化。而高频化使传统的PWM开关功耗加大、效率降低、噪声增加。因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。