電源軟開關技術及常見軟開關拓撲結構

軟開關技術實際上是利用電容與電感的諧振，使開關器件中的電流或電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流過零時，使器件關斷，當電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關的近似零損耗。同時，有助于提高頻率，提高開關的容量，減小噪聲。

相對于軟開關，普通開關電源的轉換器也叫硬開關。

按控制方式，軟開關可以分為：脈沖寬度脈沖頻率調(diào)制式（PFM）、脈沖頻率調(diào)制式（PWM）、脈沖移相式（PS）三種。

一、PWM變換器

PWM控制方式是指在開關管工作頻率恒定的前提下，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是應用最多的方式，適用于中小功率的開關電源。

1．零電流開關PWM變換器

圖1：Buck型ZCS-PWM變換器

上圖是增加輔助開關控制的Buck型零電流開關變換器。其工作過程與前面過程略有差異：

1）線性階段（S1、S2導通）：開始時，在LR作用下，S1零電流導通。隨后，因Uin作用，ILR線性上升，并到達ILR=Io。

2）正向諧振階段（S1、S2導通-關斷）：當ILR=Io時，因CR開始產(chǎn)生電壓，VD在零電流下自然關斷。之后，LR與CR開始諧振，經(jīng)過半個諧振周期，ILR再次諧振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 為零，S2關斷，UCR和ILR將被保持，無法繼續(xù)諧振。

3）保持階段（S1導通、S2關斷）：此狀態(tài)保持時間由PWM電路要求而定，保持期間，Uin正常向負載以I0供電。

4）反向諧振階段（S1導通-關斷、S2導通）：當需要關斷S1時，可以控制重新打開S2，此時在LR作用下，S2電流為0。諧振再次開始，當ILR反向諧振到0時， S1可在零電流零電壓下完成關斷。

5）恢復階段（S1關斷、S2導通）：此后，UCR 在Io作用下，衰減到0。

6）續(xù)流階段（S1關斷、S2導通-關斷）：UCR衰減到0后，VD自然導通開始續(xù)流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前以零壓零電流方式完成關斷。

可見，S1在前四個階段（線性、諧振、保持）均導通，恢復及續(xù)流時關斷。S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實現(xiàn)了自身的軟開關。

該電路的開關管及二極管均在零電壓或零電流條件下通斷，主開關電壓應力低，但電流應力大（諧振作用）。續(xù)流二極管電壓應力大，而且諧振電感在主通路上，因而負載、輸入等將影響ZCS工作狀態(tài)。

2．零電壓開關PWM變換器

圖2：Boost型ZVS-PWM變換器

上面是Boost型零電壓諧振變換器。在每次S1導通前，首先輔助開關管S2導通，使諧振電路起振。S1兩端電壓諧振為0后，開通S1。S1導通后，迅速關斷S2，使諧振停止。此時，電路以常規(guī)PWM方式運行。同樣，我們可以利用諧振再次關斷S1，CR使得主開關管可以實現(xiàn)零關斷。S1、S2的配合控制，實現(xiàn)軟開關下的PWM調(diào)節(jié)。

該電路實現(xiàn)了主開關管的零壓導通，且保持恒頻率運行。在較寬的輸入電壓和負載電流范圍內(nèi)，可以滿足ZVS條件二極管零電流關斷。期缺點是輔助開關管不在軟件開關條件下運行，但和主開關管相比，它只處理少量的諧振能量。

3．有源鉗位的零電壓開關PWM變換器

下圖為有源鉗位的ZVS開關PWM變換器，這是個隔離型降壓變換器。其中，LR為變壓器的漏電感，LM是變壓器的激磁電感。CR為S1、S2的結電容。這個電路巧妙地利用電路的寄生LR、CR產(chǎn)生諧振而達到ZVS條件。同時，CR有電壓鉗位作用，防止S1在關斷時過壓。

這里的輔助開關S2同樣是通過控制諧振時刻，來配合S1進行軟開關。該電路具體工作過程從略。

圖3：有源鉗位ZVS-PWM正激變換器

（這個開關的課堂講解略）。

二、PFM變換器

PFM是指通過調(diào)節(jié)脈沖頻率（開關管的工作頻率）來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。它控制電路相對簡單，但由于它工作頻率不穩(wěn)定，因此一般用于負載及輸入電壓相對穩(wěn)定的場合。

1．Buck零電流開關變換器

圖4：Buck型ZCS準諧振變換器

該電路就是前面動態(tài)過程分析講的典型ZCS降壓型拓補結構。我們可利用諧振電流過零來實現(xiàn)S1通斷，脈寬事實上受諧振電路參數(shù)控制，但我們可以控制S1開通時刻（即頻率）來實現(xiàn)PFM。

2．Buck零電壓開關變換器

圖5：Buck型ZVS準諧振變換器

這個電路是一個Buck型電路結構它利用。它直接利用輸出電感作為諧振電感，和CR產(chǎn)生諧振。過程是：

1）線性階段（S導通）：S導通時，輸入電壓Uin將對CR充電，并提供輸出恒流I0。開始時，由于續(xù)流過程沒有結束，VD將維持一段時間向LR提供電流。

2）諧振階段1（S導通-關斷）：隨著CR電壓的上升，VD逐步承受反壓關斷。LR、CR開始諧振，輸入電源既要提供負載恒定電流，又要提供諧振電流。由于電源鉗位作用，VD無法恢復續(xù)流。諧振中，可以選擇某一時刻關斷S，關斷時兩端電壓為0。

3）諧振階段2（S關斷）：此后，LR、CR、CS共同諧振。當CR電壓諧振到過零時，VD重新導通續(xù)流。

4）諧振階段3（S關斷-導通）：續(xù)流期間，LR、CS繼續(xù)諧振。當CS電壓過零時，可以重新開通S。

這個電路是利用S的關斷時刻來達到PFM調(diào)節(jié)的。

三、PS軟開關變換器

脈沖移相軟開關變換器用于橋式變換器。橋式變換器必須是在對角開關管同時導通時，才輸出功率。我們可以通過調(diào)整對角開關管的重合角度，來達到調(diào)節(jié)電壓的目的。在中、大功率電源中，經(jīng)常使用這種變換器。

1．移相全橋零電壓零電流變換器

下圖是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全橋-零電壓零電流-脈寬調(diào)制）變換器電路拓補結構圖。

C1C、C2C是開關管結電容或并聯(lián)電容，LR為變壓器的漏電感，LS為串聯(lián)的飽和電感，Cb為阻斷電容。VD1-VD4用做續(xù)流二極管。

原理簡述：這是一個全波橋軟開關變換器，我們可以讓S3、S4在移相時滯后，則我們把S1、S2稱為超前橋臂，S3、S4稱為滯后橋臂。S1、S2可以在LR、LS、C1C、C2C、副邊耦合電感等的諧振作用下，實現(xiàn)零電壓開關。在電流過零時，由于阻斷電容、飽和電感作用，使得零電流有一定保持時間，在此期間，S3、S4實現(xiàn)零開關。

如果把LS、Cb去掉，在S3、S4兩端并聯(lián)兩個諧振電容，就構成了移相全橋零電壓變換器。

圖6：移相全橋零電壓零電流變換器

2．不對稱移相全橋零電壓零電流變換器

下圖中，超前臂外接了旁路電容和反并二極管，而滯后臂則沒有。所以稱為不對稱移相全橋變換器。這個電路同樣是通過諧振在零壓時開關S1、S3，而在零電流開關S2、S4。

這個電路和對稱全橋的區(qū)別是，對稱全橋由于滯后橋臂有續(xù)流二極管和電容，因此在電流過零后，將形成反向流通渠道，因此要有比較大的電感來維持電流過零的時間，以完成對滯后橋臂的開關。而不對稱全橋則因為滯后橋臂沒有了通路，因此過零后能保持在零電流，以便完成滯后臂的開關。

同時，由于對稱全橋電路原邊串聯(lián)了比較大的電感，因而電源效率會有一定損失。而不對稱電路可以不串較大電感，所以損耗降低，電源效率得以提高。

下面是該電路的工作過程要點分析如下：

圖7：不對稱移相全橋零電壓零電流變換器

1） 先看對角導通，如S1、S4開通時，原邊能量正常向副邊傳輸，C2、Cc充電。

2） 當S1關斷時，C1充電，C2放電，原邊電流方向不變。由于C1上升是漸進的，所以S1屬于零壓關斷。

3） 當C2放電過零，VD2開始反向導通時，可以控制S3導通，因此S3為零壓導通。

4） S3導通上升沿觸發(fā)一單穩(wěn)態(tài)脈沖，控制輔管Sc導通。此時，Cc電壓被瞬間接到變壓器副邊。從而在原邊產(chǎn)生一瞬間高壓，此較高電壓將加快原邊電流迅速復位歸零。

5） 當電流回零后，輔管關斷。此時副邊又被鉗制在近似短路的低電壓，原邊電壓也迅速降低。使得C3電壓反向加到S4上，促使S4在零電流下關斷。

6） 此時，在Lk作用下，同時可以零電流開通S2。電流換向成功，進入下半個周期。

7） 副邊在原邊換向的同時，也完成換向，且由于Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰電壓。

四、其它軟開關技術應用及發(fā)展概況

其實，為了提高對輸入電壓、負載變化的適應能力，降低開關管電壓、電流應力，減少開關損耗等目的，其它改進型的軟開關類型還有很多，也有許多問題需要討論，遠遠不是這些篇幅所能探討的。這里只簡單瀏覽相關典型軟開關電路，感興趣者可查閱相關專業(yè)資料。

1、 半橋不對稱PWM變換器

與全橋變換器不同，在合適的控制方案下，半橋電路也可以組成不對稱ZVS變換器，但無法構成ZVZCS電路。它可以實現(xiàn)開關管的零壓切換，且在寬負載和輸入電壓范圍實現(xiàn)恒頻PWM調(diào)節(jié)。

2、 有源與無源軟開關

一般的軟開關，分為有源和無源兩種。傳統(tǒng)的軟開關要附加有源器件（如開關）及控制電路，近幾年逐步開始開發(fā)無源軟開關，從而促進了電路的簡化和開關電源的成本降低。

這項技術的關鍵是用簡單的電路結構來實現(xiàn)dv/dt、di/dt的降低，從而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除電路中的有源部分。

3、 DC/DC變換器

DC/DC變換器實際上就是前面講到的各類變換器。只是去掉開關電源的輸入電路及部分輸出整流器件，形成簡單的DC/DC轉換模塊。這類器件目前取得了較大范圍的應用，使得用戶可以簡單地構件自己的電源系統(tǒng)。

這種器件的研發(fā)，成為開關電源的一個重要分支。

4、 軟開關逆變器

借用軟開關的概念，在全橋電路上適當改進，可以構成軟開關全橋有源逆變器電路。所以，軟開關技術的應用不僅僅限于開關電源本身，其它類似功率變換電路也可以借用這個技術，而實現(xiàn)功率器件的軟開關，從而降低損耗，提高效率。典型的如變頻器、電機保護器。

5、三電平電路

在大功率高電壓變換電路中，管子的電壓應力必須盡量降低。因此，研發(fā)了所謂三電平電路。通過增加“變換電感”和電容器件，達到降低電壓應力的目的。這個方案可以使開關管電壓應力降低到輸入直流電壓的一半。

6、 其它電路及發(fā)展方向

變換器電路實際還有很多問題需要討論，我們在有限的時間內(nèi)不可能完全涉及。

變換器目前的發(fā)展大體有如下兩個主要趨勢：

（1） 朝高功率密度、大電流發(fā)展。以滿足高功率電源需要。

（2） 朝低壓發(fā)展，以滿足低損耗系統(tǒng)的需要。目前在1VDC電源方向展開了一系列研究。

　　審核編輯：湯梓紅