幾種典型的軟開關(guān)電路分享

目前電力電子設(shè)備的發(fā)展趨勢都是小型化，同時(shí)對裝置的效率和電磁兼容性有著很高的要求。 設(shè)備向著高頻化的方向發(fā)展，這樣可以減小濾波器、變壓器等器件的體積和重量，實(shí)現(xiàn)小型化和輕重化; 但是高頻化帶來了開關(guān)損耗增大、效率下降和電磁干擾增大等影響。 這就引出了我們今天要討論的話題——軟開關(guān)技術(shù)：降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲; 大幅度提高開關(guān)頻率。

1軟開關(guān)基本概念

聊軟開關(guān)之前，我們先說一下硬開關(guān)(嗯，不能太"硬"，哈哈)

硬開關(guān)

開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開關(guān)損耗; 電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，從而產(chǎn)生了開關(guān)噪聲。

開關(guān)損耗(Eon+Eoff)與開關(guān)頻率fsw之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗就越來越顯著。

以降壓型電路為例，了解一下硬開關(guān)：

理想化波形

針對開通和關(guān)斷過程的波形說明如下：

關(guān)斷過程 開通過程

軟開關(guān)

軟開關(guān)電路中增加了諧振電感Lr 和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr
和Cr的值小得多，同時(shí)開關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。

我們還以降壓型電路為例，來了解一下軟開關(guān)：

降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。

關(guān)斷過程 開通過程

零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)

零電壓開通：開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開通時(shí)不會產(chǎn)生損耗和噪聲;

零電流關(guān)斷：開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會產(chǎn)生損耗和噪聲;

零電壓關(guān)斷：與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率， 從而降低關(guān)斷損耗;

零電流開通：與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率， 降低了開通損耗。

在很多情況下，我們不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。

2軟開關(guān)電路的分類

根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類，個(gè)別電路中，有些開關(guān)是零電壓開通的，另一些開關(guān)是零電流關(guān)斷的。

根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。

準(zhǔn)諧振電路

準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振，用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)(Resonant DC Link)。 分為下面幾類：

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(ZVS QRC)

零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(ZCS QRC)

零電壓開關(guān)多諧振電路(ZVS MRC)

開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降，但是也伴隨著一些負(fù)面的問題：

①諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。

②諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大。

③諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation—
PFM)方式來控制。

零開關(guān)PWM電路

電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。 分為下面兩類：

零電壓開關(guān)PWM電路(ZVS PWM)

基本開關(guān)單元：

零電流開關(guān)PWM電路(ZCS PWM)

基本開關(guān)單元：

同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。

零轉(zhuǎn)換PWM電路

電路中采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)，而且電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。

具體也分為兩類：零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路(ZVT PWM)和零電流轉(zhuǎn)換PWM電路(ZCT PWM)。

3幾種典型的軟開關(guān)電路

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路

基本原理圖如下：

假設(shè)電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。 開關(guān)電路的工作過程是按開關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇合適的起點(diǎn)，可以使分析得到簡化。

理想波形圖：

選擇開關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。

t0~t1時(shí)段，等效電路圖如下：

t0之前，S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr
=IL，t0時(shí)刻S關(guān)斷，Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小，S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通; Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，uCr線性上升，同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通，這一時(shí)段uCr的上升率為

t1~t2時(shí)段，等效電路圖如下：

t1時(shí)刻VD導(dǎo)通，L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路; 諧振過程中，Lr對Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。

t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)，uLr=0，iLr達(dá)到反向諧振峰值。

t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。

t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，
iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。 由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通，才不會產(chǎn)生開通損耗。

t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL ，VD關(guān)斷。

t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為

t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。

諧振過程是軟開關(guān)電路工作過程中最重要的部分，諧振過程中的基本數(shù)量關(guān)系為

uCr(即開關(guān)S的電壓uS)的表達(dá)式

[t1,t4]上的最大值即uCr的諧振峰值，就是開關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式為

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件

如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。

諧振直流環(huán)

基本原理圖如下：

應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)(DC-Link)， 通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開 關(guān)的條件下。

輔助開關(guān)S使逆變橋中所有的開關(guān)工作在零電壓開通的條件下，實(shí)際電路中開關(guān)S可以不需要，S的開關(guān)動作用逆變電路中開關(guān)的直通與關(guān)斷來代替。 電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，負(fù)載電流視為常量。

諧振直流環(huán)等效電路圖：

以開關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)。

理想波形圖：

t0~t1時(shí)段：t0之前，iLr大于IL，S導(dǎo)通，t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振，因?yàn)閕Lr>IL，因此iLr對Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時(shí)刻，uCr=Ui。

t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流iLr達(dá)到峰值，t1以后，iLr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，而uCr進(jìn)一步升高，直到t2時(shí)刻iL=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。

t2~t3時(shí)段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，到零后反向，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時(shí)刻uCr=Ui。

t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值，然后iLr開始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻，uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零。

t4~t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷。

移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

基本原理圖如下：

電路簡單，僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就使電路中四個(gè)開關(guān)器件都在零電壓的條件下開通。

在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷的時(shí)間都略大于TS/2。 同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間。 互為對角的兩對開關(guān)S1-S4和S2-
S3，S1的波形比S4超前0TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0TS/2時(shí)間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。

理想波形圖：

t0~t1時(shí)段：S1與S4都導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。

t1~t2時(shí)段：等效電路圖

t1時(shí)刻S1關(guān)斷后，C1、C2與Lr、L構(gòu)成諧振回路，諧振開始時(shí)uA(t1)=Ui，在諧振過程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，iLr通過VDS2續(xù)流。

t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻S2開通，由于VDS2導(dǎo)通，因此S2開通時(shí)電壓為零，開通過程中不會產(chǎn)生開關(guān)損耗，S2開通后，電路狀態(tài)也不會改變，繼續(xù)保持到t3時(shí)刻S4關(guān)斷。

t3~t4時(shí)段：等效電路圖

t4時(shí)刻開關(guān)S4關(guān)斷后，這時(shí)C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路，諧振過程中iLr不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到VDS3導(dǎo)通; 這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通，S3開通時(shí)VDS3導(dǎo)通，因此S3是在零電壓的條件下開通，開通損耗為零。

t4~t5時(shí)段：S3開通后，iLr繼續(xù)減小，下降到零后反向，再不斷增大，直到t5時(shí)刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。

t0~t5時(shí)段：正好是開關(guān)周期的一半， 而在另一半開關(guān)周期t5 t0時(shí)段中，電路的工作的過程與t0t5時(shí)段完全對稱。

零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路

具有電路簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路(PFC)、DC-DC變換器、斬波器等。

以升壓電路為例，在分析中假設(shè)電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。

基本原理圖如下：

在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，而S開通后S1就關(guān)斷了，主要的諧振過程都集中在S開通前后。

理想波形圖：

t0~t1時(shí)段：輔助開關(guān)先于主開關(guān)開通，由于此時(shí)VD尚處于通態(tài)，所以uLr=Uo，iLr按線性迅速增長，iVD以同樣的速率下降，直到t1時(shí)刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關(guān)斷。

t1~t2時(shí)段：等效電路圖

Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，由于L很大，諧振過程中其電流基本不變，對諧振影響很小，可以忽略; 諧振過程中iLr增加而uCr下降，t2時(shí)刻uCr降到零，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而iLr保持不變。

t2~t3時(shí)段：uCr被箝位于零，而iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻S開通、S1關(guān)斷。

t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻S開通時(shí)，uS為零，因此沒有開關(guān)損耗，S開通的同時(shí)S1關(guān)斷，Lr中的能量通過VD1向負(fù)載側(cè)輸送，uLr下降，而iS線性上升，到t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，iS=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。

t4~t5時(shí)段：t5時(shí)刻S關(guān)斷， 由于Cr的存在，S關(guān)斷時(shí)的電壓上升率受到限制，降低了S的關(guān)斷損耗。

4軟開關(guān)的進(jìn)展

新的軟開關(guān)電路拓?fù)涞臄?shù)量仍在不斷增加，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來越普遍。 在開關(guān)頻率接近甚至超過1MHz、對效率要求又很高的場合，曾經(jīng)被遺忘的諧振電路又重新得到應(yīng)用，并且表現(xiàn)出很好的性能。

采用幾個(gè)簡單、高效的開關(guān)電路，通過級聯(lián)、并聯(lián)和串連構(gòu)成組合電路，替代原來的單一電路成為一種趨
勢，在不少應(yīng)用場合，組合電路的性能比單一電路顯著提高。