第七章谐振软开关技术

第七章谐振软开关技术

随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关损耗和提高开关频率的有效办法。

本章首先从PWM电路开关过程中的损耗分析开始，建立谐振软开关的概念；再从软开关技术发展的历程来区别不同的软开关电路，最后选择零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关PWM电路、零电压转换PWM电路和谐振直流环电路进行运行原理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。

7.1 谐振软开关的基本概念

7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式

无论是DC—DC变换或是DC—AC变换，电路多按脉宽调制（PWM）方式工作，器件

处于重复不断的开通、关断过程。由于器件上的电压、电流会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。以图7-1（a）Buck变换电路为例，设开关器件VT为理想器件，关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。

图7-1（b）为开关过程中VT上的电压、电流及损耗的波形，设负载电流恒定。

图7-1 Buck变换电路开关过程波形

当VT关断时，负载电流改由续流二极管VD提供。若再次触发导通VT，电流从VD 向VT转移（换流），故期间上升但，直至才下降为零。这样就产生了开通损耗。当停止导通VT时，从零开始上升，在期间维持，直至，才减小为零，这样就产生了关断损耗。

若设器件开关过程中电压、电流线性变化，则有

（7-1）

图7-2 器件开关轨迹

其中为开关频率。这个开关过程伴随着电压、电流剧烈变化，会产生很大的开关损耗。例如若，，则开关过程的瞬时功率可达，平均损耗为100W，十分可观。这种开关方式称为硬开关。

器件开关过程的开关轨迹如图7-2所示，SOA为器件的安全工作区，A为硬开关方式的开关轨迹。由于PWM变换器开关过程中器件上作用的电压、电流均为方波，开关状态转换条件恶劣，开关轨迹接近SOA边沿，开关损耗和开关应力均很大。此时虽可在开关器件上增设吸收电路以改变开关轨迹及相应开关条件，但仅仅是使部分开关损耗从器件上转移至吸收电路中，并没有减少电路工作中的损耗总量。

为了大幅度地降低开关损耗、改善开关条件，可以采用谐振软开关方式，基本思想是创造条件使器件在零电压或零电流下实现通、断状态转换，从而使开关损耗减少至最小，为器件提供最好的开关条件，如图7-2中曲线B所示。具体措施是在开关电路中增设小值电感、电容等贮能元件，在开关过程前、后引入谐振，确保在电压或电流谐振过零时刻实现开通和关断。

7.1.2零电压开关与零电流开关

器件导通前两端电压就已为零的开通方式为零电压开通；器件关断前流过的电流就已为零的关断方式为零电流关断；这都是靠电路开关过程前后引入谐振来实现的。一般无需具体区分开通或关断过程，仅称零电压开关和零电流开关。

有二种利用零电压、零电流条件实现器件减耗开关过程需要注意：一是利用与器件并联的电容使关断后器件电压上升延缓以降低关断损耗，二是利用与器件串联电感使导通后器件电流增长延缓以降低开通损耗。这两种方法都不是通过谐振，而是简单地利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通，通常会造成电路总损耗增加、关断过电压变大等负面影响，并不合算。

7.1.3谐振软开关电路类型

根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，首先可将软开关电路划分为零电压电路和零电流电路两大类；其次按谐振机理可将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

1．准谐振电路

准谐振电路中电压或电流波形为正弦半波，故称准谐振，这是最早出现的软开关电路。它又可分为

（1）零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter：ZVSQRC）；

（2）零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter: ZCSQRC）；

（3）零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Converter：ZVSMRC）；

（4）谐波直流环节电路（Resonant DC link）。

图7-3给出了前三种准谐振电路的基本开关单元电路拓朴。

图7-3 准谐振电路的三种基本开关单元

由于在开关过程引入了谐振，使准谐振电路开关损耗和开关噪声大为降低，但谐振过程会使谐振电压峰值增大，造成开关器件耐压要求提高；谐振电流有效值增大，导致电路通导损耗增加。谐振周期还会随输入电压、输出负载变化，电路不能采取定频调宽的PWM控制而只得采用调频控制，变化的频率会造成电路设计困难。这是准谐振电路的缺陷。

2．零开关PWM电路

这类电路引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生在开关状态改变的前后。这样开关器件上的电压和电流基本上是方波，仅上升、下降沿变缓，也无过冲，故器件承受电压低，电路可采用定频的PWM控制方式。图7-4为两种基本开关单元电路：零电压开关PWM 电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter：ZVSPWM）和零电流开关PWM电路（Zero-current-switching PWM Converter：ZCSPWM）。

图7-4 零开关PWM电路基本开关单元

3．零转换PWM电路

这类电路也是采用辅助开关来控制谐振开始时刻，但谐振电路与主开关元件并联，使得电路的输入电压和输出负载电流对谐振过程影响很小，因此电路在很宽的输入电压范围和大幅变化的负载下都能实现软开关工作。电路工作效率因无功功率的减小而进一步提高。图7-5为两种基本开关单元电路：零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter：ZVTPWM）和零电流转换PWM电路（Zero-Current-Transition Converter：ZCTPWM）。

图7-5 零转换PWM电路基本开关单元

下面分别详细分析零电压和零电流开关准谐振电路，谐振直流环节电路，零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路。