零電壓開關準諧振電路

零電壓開關簡介

零電壓開關（ZVS）/零電流開關（ZCS）技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到80%~85%。20世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。

PWM開關電源按硬開關模式工作（開/關過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊），因而開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關損耗卻更大了。為此，必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓開關（ZVS）/零電流開關（ZCS）技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到80%~85%。20世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。隨后新的軟開關技術不斷涌現(xiàn)，如準諧振（20世紀80年代中）全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM（上世紀80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM（20世紀90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（20世紀90年代中）等。我國已將最新軟開關技術應用于6kW通信電源中，效率達93%。

零電壓開關準諧振電路

將開關Sl同電容Cl并聯(lián)，就構成了零電壓（ZVS）開關。原理框圖如圖11.17：同樣，依據(jù)開關中電流的流向分為半波型和全波型。諧振型開關技術解決了常規(guī)的PWM開關電路在開關切換時開關管損耗過大的問題。諧振型開關在零電流和零電壓時進行切換，大大減小了切換損耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的問題。諧振型開關轉(zhuǎn)換技術分為諧振、準諧振、多諧振三種，這里不一一舉例。

諧振型開關轉(zhuǎn)換技術特點是不需要增加額外功率開關管實現(xiàn)單管變換器開關管零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）。這類變換器不同于脈寬調(diào)制（PWM）技術，有器件應力高、循環(huán)能量大和變頻控制等缺點。此外，由于諧振電源中傳輸?shù)氖钦也?，PWM電路中傳輸?shù)氖欠讲ǎ也ò哪芰繘]有方波高。經(jīng)過諧振型開關電源減低了開關損耗，可是傳遞的能量也下降了，所以整體轉(zhuǎn)換效率并不比PWM電路高多少。人們希望將兩種拓撲結構結合起來。首先利用脈寬調(diào)制提供方波電壓、電流，對于同樣的電流，不僅提供更多的功率，同時開關管保持較低的導通損耗。

其次，利用零電壓諧振技術，在開關管上的電壓達到零以后再轉(zhuǎn)換。然后再改變兩組方波之間的相移進行控制，電路工作在恒定的開關頻率上，這種相移零電壓技術，采用全橋變換器很容易實現(xiàn)。全橋變換的好處是利用4個晶體管可以方便地實現(xiàn)ZVT或ZCT，同時可輸出大的功率，這是多管隔離型直流變換器得到廣泛應用的原因。

零電壓準諧振開關電路

1、準諧振電路結構

主開關電路為零電壓半波準諧振升壓變換器，如圖2所示。

設計零電壓準諧振電路有兩種方式：一是全波型，二是半波型。零電壓準諧振電路的全波型比半波型多串聯(lián)了一個反向二極管。在開關過程中，全波型串聯(lián)二極管起到反向電流阻止作用，但開關中的結電容的能量在開關關斷期間被儲存，在開關導通期間承受電容導通的損耗，這在高頻下工作是不利的，所以準諧振變換器的方式，在高頻情況下一般選擇零電壓半波準諧振變換器電路。

2、基本工作原理

準諧振變換器的特性受諧振電路中Lr、Cr的影響很大，分析工作原理時，需引入下述參數(shù)：特性阻抗規(guī)一化開關頻率規(guī)一化負載電阻諧振角頻率

電壓變比n=UO/Ui

零電壓半波準諧振變換器，在穩(wěn)態(tài)工作下，一個完整的開關周期可分為四個階段，其等效電路如圖3所示。

將輸入部分看作恒流源Ii，輸出負載部分看作電壓負載UO，零電壓準諧振變換器典型波形如圖4所示。

零電壓開關技術的應用

對降壓穩(wěn)壓器的關鍵要求通常是尺寸和效率。由于印制電路板面積彌足珍貴，哪個設計人員也不愿意分配額外的空間給功率設計方案。此外，由于單片機和數(shù)字信號處理器（DSP）不斷推陳出新，電路板設計方案也不斷升級，盡管功率有所增加，但產(chǎn)品尺寸卻不能增大了。因此，高密度穩(wěn)壓器便隨著最新IC集成度的提高、MOSFET技術的提升及封裝工藝的改良而不斷發(fā)展。縱使這樣，這些穩(wěn)壓器還是無法滿足新系統(tǒng)的應用要求。尤其是系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度正日益提高。其主要原因是開關損耗阻礙穩(wěn)壓器MOSFET的內(nèi)部性能。如果不從根本上解決這些損耗問題，那么只能期望一些微小的性能提升。