軟開(kāi)關(guān)技術(shù)綜述

　　1 引 言

　　開(kāi)關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開(kāi)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(kāi)關(guān)電路和變壓器組成。為了滿(mǎn)足高功率密度的要求，變換器需要工作在高頻狀態(tài)，開(kāi)關(guān)晶體管要采用開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源構(gòu)成框圖

　　從60年代開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)。為了使開(kāi)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(kāi)發(fā)高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)波形比較如圖2所示。

　　
圖2 軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)波形

　　從圖可以看出，軟開(kāi)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)ǎ?。與硬開(kāi)關(guān)相比，軟開(kāi)關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)提高變換器的變換效率，就必須減小開(kāi)關(guān)損耗。減小開(kāi)關(guān)損耗的途徑就是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，因此軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為是開(kāi)關(guān)變換技術(shù)的一個(gè)重要的研究方向。本文對(duì)軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)的工作特性進(jìn)行比較，并對(duì)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

　　2 硬開(kāi)關(guān)的工作特性

　　圖3是開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。開(kāi)關(guān)管不是理想器件，因此在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)工作時(shí)，要產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗（Switching Loss）。開(kāi)關(guān)頻率越高，總的開(kāi)關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開(kāi)關(guān)損耗的存在限制了變換器開(kāi)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(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓和電流波形

　　傳統(tǒng)PWM變換器中的開(kāi)關(guān)器件工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，硬開(kāi)關(guān)工作的四大缺陷妨礙了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高, 它存在如下問(wèn)題：

　　（a）開(kāi)通和關(guān)斷損耗大：在開(kāi)通時(shí)，開(kāi)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(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加。

　?。╞）感性關(guān)斷問(wèn)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件兩端，易造成電壓擊穿。

　?。╟）容性開(kāi)通問(wèn)題：當(dāng)開(kāi)關(guān)器件在很高的電壓下開(kāi)通時(shí)，儲(chǔ)藏在開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部耗散在該開(kāi)關(guān)器件內(nèi)，引起開(kāi)關(guān)器件過(guò)熱損壞。

　?。╠）二極管反向恢復(fù)問(wèn)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(kāi)通與其串聯(lián)的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，其開(kāi)關(guān)軌跡很可能會(huì)超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的損壞。

　　
圖4 開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)軌跡

　　3 軟開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以減小變換器的開(kāi)通損耗和關(guān)斷。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷波形如圖5所示。

　　
（a）零電流開(kāi)通和關(guān)斷

　　
（b）零電壓開(kāi)通和關(guān)斷

圖5 軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷波形

軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通有以下幾種方法：

　?。╝）零電流開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)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(kāi)通損耗大大減小。

　?。╞）零電壓開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前，便其電壓下降到零。從圖5（b）可以看出，開(kāi)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(kāi)通損耗為零。這種情況最為理想。

　　 同理，軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷有以下幾種方法：:

　?。╝）零電流關(guān)斷：在開(kāi)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。

　?。╞）零電壓關(guān)斷：在開(kāi)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。

　?。╟）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(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)軌跡，從圖中可以看出，此時(shí)開(kāi)關(guān)管的工作條件很好，不會(huì)超出安全工作區(qū)。

　　
圖6 開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)軌跡

　　4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其類(lèi)型

　　變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電感和電容來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉

，從而改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件。這種方法對(duì)變換器的變換效率沒(méi)有提高，甚至?xí)阈视兴档?。目前所研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開(kāi)關(guān)損耗，而不是開(kāi)關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。軟開(kāi)關(guān)變換器有諧振型變換器、零開(kāi)關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器三種類(lèi)型，以下將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析：

　?。?）諧振型變換器

　　利用諧振現(xiàn)象，使電子開(kāi)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(kāi)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(chēng)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(lèi)型。

　?。╝）全諧振型變換器

一般稱(chēng)之為諧振變換器（Resonant converters）。該類(lèi)變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照不同的分類(lèi)方式，它又可以分為不同的類(lèi)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(lèi)。

　　按載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類(lèi):一類(lèi)是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱(chēng)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(lèi)是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱(chēng)為并聯(lián)負(fù)載（