软开关技术综述

软开关技术综述

1 引言

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。

图1 开关电源构成框图

从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。软开关和硬开关波形比较如图2所示。

图2 软开关和硬开关波形

从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关

断），在零电流条件下关断（或导通）。与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。与此同时，du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。

2 硬开关的工作特性

图3是开关管开关时的电压和电流波形。开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。

图3 开关管开关时的电压和电流波形

传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高, 它存在如下问题：

（a）开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。

（b）感性关断问题：电路中难免存在感性元件（引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感）、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di／dt很大，和dv/dt，

从而产生大的电磁千扰（Electromagnetic Interference，EMI）,而且产生的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。

（c）容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。

（d）二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管耗急剧增加，重则致其损坏。图4给出了接感性负载时，开关管工作在硬开关条件下的开关的开关轨迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区（Safety operation area，SOA），如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。

图4 开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹

3 软开关技术的特性和实现策略

从前面的分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和关断损耗。利用软开关技术可以减小变换器的开通损耗和关断。软开关的开通和关断波形如图5所示。

（a）零电流开通和关断

（b）零电压开通和关断

图5 软开关开通和关断波形

软开关的开通有以下几种方法：

（a）零电流开通：在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区。从图5（a）可以看出，开通损耗大大减小。

（b）零电压开通：在开关管开通前，便其电压下降到零。从图5（b）可以看出，开通损耗基本减小到零。

（c）同时做到（a）和（b），在这种情况下，开通损耗为零。这种情况最为理想。

同理，软开关的关断有以下几种方法：:

（a）零电流关断：在开关管关断前，使其电流减小到零。从图5（a）可以看出关断损耗基本减小到零。

（b）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区。从图5（b）可以看出，关断损耗大大减小。

（c）同时做到（a）和（b），在这种情况下，关断损耗为零。

图6给出了开关管工作在软开关条件下的开关轨迹，从图中可以看出，此时开关管的工作条件很好，不会超出安全工作区。

图6 开关管工作在软开关条件下的开关轨迹

4 软开关技术的实现及其类型

变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉

，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会便效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。软开关变换器有谐振型变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器三种类型，以下将对其进行详细分析：

（1）谐振型变换器

利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。它又可以分为全谐振型变换器、准谐振变换器和多谐振变换器三种类型。

（a）全谐振型变换器

一般称之为谐振变换器（Resonant converters）。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照不同的分类方式，它又可以分为不同的类型。