基于準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)的高頻開關(guān)電源變換器

摘要：傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源變換電路采用硬開關(guān)技術(shù)，電路功耗大，承受電壓、電流應(yīng)力高。為了克服硬開關(guān)技術(shù)中開關(guān)管在有電流通過的情況下被強制關(guān)斷，有電壓情況下被強制導(dǎo)通而帶來的各種不利因素，采用準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)技術(shù)，即零電流開關(guān)(ZCS)準(zhǔn)諧振變換器、零電壓開關(guān)(ZVS)準(zhǔn)諧振變換器，由電感、電容組成諧振回路，利用電感、電容之間的能量交換，使主開關(guān)管在零電壓下導(dǎo)通或零電流下截止，達到了減少開關(guān)損耗及電磁干擾的目的。軟開關(guān)技術(shù)在新型開關(guān)電源中廣泛采用。
關(guān)鍵詞：硬開關(guān)；軟開關(guān)；零電流；零電壓；準(zhǔn)諧振

    在高頻開關(guān)電源的DC-DC變換電路中，功率開關(guān)管在控制信號強制控制下，有電壓時被開通，有電流時被關(guān)斷，這種工作方式稱為硬開關(guān)。傳統(tǒng)的PWM開關(guān)方式屬于硬開關(guān)技術(shù)，它的缺點顯而易見。
    (1)開關(guān)管無論在導(dǎo)通或截止時，電壓和電流均不為零，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)管存在功耗，且開關(guān)頻率越高，功耗愈大。
    (2)開關(guān)管關(guān)斷時，電路中的感性元件和容性元件會產(chǎn)生幅值很高的尖峰電壓和尖峰電流，對開關(guān)器件造成危害，且開關(guān)頻率越高，損害越大。
    (3)隨著工作頻率的增高，會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，對自身電路及電網(wǎng)和周邊電子設(shè)備造成影響。
    理想的關(guān)斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，關(guān)斷損耗近似為零。因為功率開關(guān)管關(guān)斷之前，電流已下降到零，這就解決了感性關(guān)斷尖峰電壓問題，而理想的導(dǎo)通過程是電壓已先降到零，電流再緩慢升到斷態(tài)值，導(dǎo)通損耗近似為零。功率開關(guān)管結(jié)電容上的電壓也為零，解決了容性導(dǎo)通尖峰電流問題。為了解決硬開關(guān)方式帶來的各種不利因素，采用了多種措施。其中，準(zhǔn)諧振型開關(guān)方式屬于軟開關(guān)方式，利用諧振技術(shù)，使功率開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓或零電流的導(dǎo)通和截止，基本消除開關(guān)損耗。諧振型開關(guān)方式可分為零電流開關(guān)型(ZCS)和零電壓開關(guān)型(ZVS)；按控制方式分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖相移控制(PS)。實際應(yīng)用中，PWM軟開關(guān)變換器多用于小功率DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源，PS軟開關(guān)變換器則用于中大功率DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源中。
    下面介紹幾種常見的軟開關(guān)變換器。

1 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器
    圖1是零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZCS-QRC)基本電路。諧振電容C與整流二極管D并聯(lián)，諧振電感與有源開關(guān)(晶體管或MOS管)S串聯(lián)。S在零電流時接通和關(guān)斷，而D在零電壓時接通和關(guān)斷。由于L和C諧振，通過S的電流發(fā)生振蕩并歸零，這就導(dǎo)致了自然換向。該電路特點是減少了關(guān)斷時的損耗，但存在電容在接通時的損耗，電容儲存的能量在S管導(dǎo)通時消耗在S管內(nèi)，且與S管開關(guān)頻率成正比。

2 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器
    圖2是零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZVS-QRC)基本電路。諧振電容C與有源開關(guān)器件S并聯(lián)，諧振電感L與D串聯(lián)，S剛關(guān)斷時，電容C上的電壓逐漸上升，并與電感L產(chǎn)生諧振，因此S是在零電壓時接通和關(guān)斷，而整流二極管D是在零電流時接通和關(guān)斷。該電路特點是開關(guān)器件的電壓被整形成準(zhǔn)正弦波，為開關(guān)接通創(chuàng)造零電壓條件，減少了接通時的損耗。存在的問題是開關(guān)管還存在過剩的電壓應(yīng)力，這種應(yīng)力與負載大小成正比，此外整流二極管結(jié)電容與諧振電感引起的諧振會產(chǎn)生電磁干擾。

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3 零電壓開關(guān)多諧振變換器
    圖3是零電壓開關(guān)多諧振變換器基本電路。諧振電容C同時與開關(guān)管和二極管并聯(lián)，這樣S和D都可以在零電壓進行轉(zhuǎn)換，這個電路的好處是多諧振電路把開關(guān)管輸出電容、二極管結(jié)電容、變壓器漏感等寄生參量吸收到諧振電路中，極大降低了開關(guān)損耗和噪聲。該電路的缺點是開關(guān)管、整流二極管承受較大的電壓和電流。

4 軟開關(guān)脈沖寬度調(diào)制器
    軟開關(guān)脈沖寬度調(diào)制器是由軟開關(guān)脈沖寬度調(diào)制器ZVS(或ZCS)-QRC與PWM控制的無隔離變壓器式功率變換器組合而成的。圖4中，當(dāng)有源開關(guān)器件S與有源輔助開關(guān)器件S1同時接通時，C和L構(gòu)成準(zhǔn)諧振，當(dāng)S接通，S1關(guān)斷時，電感L續(xù)流。這樣，在一個周期內(nèi)，一段時間工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，另一段時間工作在PWM狀態(tài)。該電路特點是主開關(guān)S承受電流(或電壓)應(yīng)力小，所以使用性能較上述電路好。

5 PS軟開關(guān)變換器
    PS軟開關(guān)變換器也稱脈沖移相控制變換器，常用在大、中功率開關(guān)電源中，是實現(xiàn)高頻化的理想拓撲之一。大功率移相控制橋式變換器由4個功率開關(guān)器件組成全橋電路的橋臂，每個開關(guān)管導(dǎo)通時間固定不變，同一橋臂的兩只開關(guān)管相位相差180°，這樣只有相對的2只開關(guān)管都導(dǎo)通，變換器才有功率輸出。該電路利用功率開關(guān)管輸出電容(C1～C4)和輸出變壓器的漏電感(L)作為諧振元件，使變換器的4個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實現(xiàn)軟開關(guān)控制。

6 結(jié)語
    高頻開關(guān)電源大量應(yīng)用于各種用電設(shè)備，傳統(tǒng)的功率變換器采用硬開關(guān)技術(shù)，其缺點顯而易見。軟開關(guān)變換器技術(shù)有多種設(shè)計方式，目的是最大程度地解決硬開關(guān)技術(shù)缺陷，它是一種行之有效的電路。