現(xiàn)代電力電子朝著小型化、輕量化方向發(fā)展.對效率和電磁兼容也有了更高的要求。隨著電力電子裝置的高頻化的發(fā)展趨勢.濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。但同時導致開關損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開關技術的諧振變換器正是適應這樣的趨勢而發(fā)展起來的，它可以降低開關損耗和開關噪聲.進一步提高開關頻率。將諧振變換器與PWM技術結合起來構成軟開關PWM 的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點于一體，既能實現(xiàn)功率開關管的軟開關。
在軟開關技術出現(xiàn)之前，通過控制門極來控制開關管的開通和關斷，在此過程中，開通電壓或關斷電流相當大，這種被稱之為硬開關的開關方式造成很大的開關損耗，由于現(xiàn)代電力電子裝置愈來愈趨向于小型化和輕量化發(fā)展，必然要求開關頻率越來越高。當開關頻率很高時，往往造成開關過程中di/dt和du/dt很大，給電路造成嚴重的噪聲污染和開關損耗，且產生嚴重的電磁干擾，軟開關技術的出現(xiàn)解決了這一系列問題。軟開關技術就是指通過輔助的諧振電路使開關管開通前電壓先降為零或者關斷前電流先降為零，這樣，就實現(xiàn)了在零電壓情況下開通或者在零電流條件下關斷，從而大大降低了開關功率損耗，減少了噪聲污染和電磁干擾。
軟開關電路的發(fā)展經歷了3個階段，分別是：準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM 電路，下面分別闡述。
準諧振電路
(1)最先出現(xiàn)的軟開關電路是零電壓零電流準諧振電路拓撲結構，20世紀70年代末80年代初準諧振技術得到廣泛關注，因為它能夠通過諧振來整定電壓和電流的波形，使大電壓和大電流不能同時出現(xiàn)，這樣就大大減少了開關應力和功率損耗。但是它也存在自身的缺點：諧振使電壓峰值很高，要求所用的器件耐壓性能好;電流的有效值很大，另外，它要求對脈沖頻率調制，變化的頻率為電路設計造成了困難。1990年，Ivo Barbi，Julio C O Bolacell，Denizar C Martins和Fausto B Libano提出了一個降壓型脈寬調制零電流開關(見圖1)，并且和由F.C.Lee提出的傳統(tǒng)的調頻降壓準諧振結構(見圖2)做了比較。
(2)零電壓開關準諧振變換器電壓應力大，負載變化范圍小，這一限制可通過零電壓多諧振技術得到大大改進。多諧振電路使所有的寄生元素包括半導體開關的結電容和變壓器漏電感組合成一個多諧振網，這樣就使各種形式的寄生振蕩最小化，甚至能夠在無負載的情況下實現(xiàn)零電壓開關。1990年，Milan Jovanovic和Fred C.Y.Lee針對半橋零電壓開關多諧振變換器(見圖3)作了全面的直流分析，第1次通過實驗驗證了不同開關狀態(tài)下4種工作模式，并分別作了波形分析，畫出了每種模式的等效電路。
(3)適用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)目前仍在研究應用中。2004年，S.Beherd，S.P.Das和S.R.Doradla提出了一種新型的多用準諧振三相逆變器結構，組成準諧振直流環(huán)節(jié)的組件包括4個開關元件、2個諧振電感和一個諧振電容，其中2個開關和諧振直流環(huán)節(jié)串聯(lián)，另外2個與之并聯(lián)。這種拓撲結構采用空間矢量調節(jié)，工作于軟開關狀態(tài)，無源或有源三相負載低功率因數(shù)和高功率因數(shù)負載均適用。
零開關PWM 電路零開關
PWM電路包括零電壓開關PWM和零電流開關PWM。最初的零開關PWM電路是零電壓型的，它是由零電壓開關準諧振電路(ZVS—QRC)的諧振電感兩端接一個開關得到的。這樣就把PWM技術和軟開關技術結合起來，使之工作于固定的開關頻率下，且開關承受的電壓明顯比準諧振電路中的開關承受的電壓低。S.Moisseev，S.Hamada和M.Nakaoka提出了一種新型的全橋軟開關相移PWM DC—DC功率變換器電路，在這種新型的電路中(見圖4)，輸出端采用了一個帶有分接頭的電感濾波器，其優(yōu)點是：能夠在不增加諧振電路和輔助開關器件的情況下實現(xiàn)軟開關并使環(huán)路電流達到最小。
零轉換PWM 電路
與零開關不同的是諧振電路與主開關并聯(lián)，這樣可以使諧振電路受負載和輸入電壓的影響變小，使電路在輸入電壓寬范圍內且負載由空載到滿載內均能工作于軟開關狀態(tài)。最初的零電壓轉換技術是1991年由F.C.Lee，Hua G.和Leu C.S.設計提出的。在這種零電壓轉換電路中，換相是由與主開關或主二極管并聯(lián)的吸收電容輔助完成的，而且在主開關關斷期間濾波器電流方向可以使輔助電路保持不工作狀態(tài)，而僅在主開關開通過程中發(fā)生作用，這樣可以降低傳輸損耗。因此，近年來研究人員對零轉換技術大為關注，出現(xiàn)了諸多的零轉換電路拓撲結構，但是各種電路拓撲總是存在不同形式的缺陷。為了便于人們對零電壓轉換電路作進一步的詳細分析和研究，M.L.Martins，J.L.Russi和H.L.Hey通過研究近年來出現(xiàn)的各種零電壓轉換電路，提出了一種新的分類方法：根據輔助電壓源的不同進行分類。
按照這種分類方法，所出現(xiàn)的零電壓轉換PWM變換器大致分為如下3類：(1)帶有開關式輔助電壓源型;(2)帶有直流輔助電壓源型;(3)帶有諧振式輔助電壓源型。這樣便于人們對零電壓轉換脈寬調制技術的整體性研究探索，由于人們越來越深入地研究，必將有更多的新型電路拓撲出現(xiàn)。
軟開關技術的新進展隨著電力電子技術的發(fā)展，目前對電力電子裝置的要求愈加趨向于小型化，輕量化，并希望能提高開關頻率，但是目前開關器件的頻率已接近于極限，并且隨著頻率的提高又帶來了噪聲污染、電磁干擾、開關應力、開關損耗等一系列問題。目前的研究仍是針對解決上述問題而進行的，最近的研究成果包括新型電路結構的出現(xiàn)和應用范圍的不斷擴大等。Chen—ming Wang提出了一種新型的功率因數(shù)校正器。這種功率因數(shù)校正器采用傳統(tǒng)的脈寬調制，軟換相技術及瞬時平均線電流控制方法。他設計了一種新的零電壓開關脈寬調制(ZVS—PWM)輔助電路，可實現(xiàn)主開關和輔助開關的零電壓開關，輔助開關實現(xiàn)零電流開關，其主開關軟換相時電流應力小，傳輸損耗小。H.Ogiwara，M.Itoi和M.Nakaoka設計出一種新型的單端推挽式軟開關高頻逆變器，該逆變器應用于高頻感應加熱裝置。這一新模型是在傳統(tǒng)電路的基礎上加上諧振電路。這樣可實現(xiàn)軟開關并且在對稱的PWM輔助電路下能在大范圍內連續(xù)調節(jié)輸出功率，其工作頻率固定為20 kI-Iz，用在家用加熱電器中具有很好的安全性和高效性。C.M.Wang，H-J.Chiu和D.R.Chen提出了一種新型的零電流PWM開關單元，這種開關單元可以使主開關和輔助開關都能在零電流時開通和關斷。這種變換器的優(yōu)點是：工作于固定頻率，減少了換相損耗。只采用了一個諧振電感使電路的結構簡單且電流應力小，它適用于采用IGBT的大功率場合。
[!--empirenews.page--]
如今，軟開關變換器都應用了諧振原理，在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網絡，勢必產生諧振損耗，并使電路受到固有問題的影響。為此。人們提出了組合軟開關功率變換器的理論。組合軟開關技術結合了無損耗吸收技術與諧振式零電壓技術、零電流技術的優(yōu)點，電路中既可以存在零電壓開通，也可以存在零電流關斷，同時既可以包含零電流開通，也可以包含零電壓關斷，是這4種狀態(tài)的任意組合。
近年來，人們針對全橋軟開關變換器提出了不少拓撲，大致可分為ZVS，ZCS和ZVZCS三種策略。ZVS方式中，功率器件輸出電容與變壓器漏感諧振，器件在零電壓狀態(tài)下開通。但變壓器副邊整流管換流使輸出電壓發(fā)生占空比丟失，且滯后橋臂零不易實現(xiàn)ZVS。ZCS方式中，變壓器原邊電流復位，器件在零電流狀態(tài)下關斷，但諧振電容電壓換向使輸出電流發(fā)生占空比丟失，且滯后橋臂較難實現(xiàn)ZCS。電子負載中，DC/DC為低壓大電流的升壓變換，特點是變壓器原邊輸入電流和副邊輸出電壓很大，所以，這兩種方式都會造成系統(tǒng)效率的嚴重降低，是不可接受的。ZVZCS變換策略則可避免上述兩方式固有的缺陷。
本設計是用在變壓器副邊并聯(lián)儲能電容C1，C2的方法來實現(xiàn)原邊電流的復位〔1〕，如所示，共有六種工作模式：
模式0：(t2，t3)區(qū)間。在t2時刻導通Q4，變壓器漏感Lk與C1，C2諧振使C1，C2通過D7充電，由于D5，D6的箝位作用，C1，C2充電至V2，能量由變壓器原邊流向C1，C2和負載。
模式1：(t3，t4)區(qū)間。Q1，Q2導通，能量由變壓器原邊流向負載。
模式2：(t4，t5)區(qū)間。在t4時刻關斷Q1，由于Cp1上的電壓為零，Q1為零電壓關斷，此后Cp1充電，Cp3放電，V1減小，當變壓器副邊電壓小于V2時，C1，C2開始放電。能量由C1，C2和變壓器原邊流向負載。
模式3：(t5，t7)區(qū)間。Cp3放電完畢，D3導通，此時導通Q3，由于D3的箝位作用，Q3為零電壓開通。V1減小，C1，C2繼續(xù)放電，變壓器副邊二極管整流橋反偏，變壓器副邊電流為零，原邊只有很小的勵磁電流，近似于開路。負載電流流過C1，C2和續(xù)流二極管，變壓器原副邊沒有能量的聯(lián)系。
模式4：(t7，t8)區(qū)間。在t7時刻關斷Q4，由于變壓器原邊電流近似為零，Q4為零電流關斷。C1，C2放電完畢后，負載電流只流過續(xù)流二極管，變壓器原副邊電流仍近似為零。
模式5：(t8，.)區(qū)間。在t8時刻導通Q2，由于變壓器原邊電流近似為零，Q2為零電流開通。變壓器原邊電流反向，重復模式0，下半個周期開始。
4 結語
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展。軟開關技術正由新興技術不斷走向成熟。研究人員不斷取得新的進展。使電力系統(tǒng)的轉換和傳輸中能量損耗不斷降低，電磁干擾逐漸減少，噪聲污染正進一步得到解決。開關電源的發(fā)展趨勢是輕、小、薄和高頻化。而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產品未來的主流。
下載文檔
