軟開關(guān)功率開關(guān)管的發(fā)展

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(shí)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開關(guān)技術(shù)的諧振變換器正是適應(yīng)這樣的趨勢而發(fā)展起來的，它可以降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲.進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。將諧振變換器與PWM技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成軟開關(guān)PWM 的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，既能實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)。

在軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)之前，通過控制門極來控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，在此過程中，開通電壓或關(guān)斷電流相當(dāng)大，這種被稱之為硬開關(guān)的開關(guān)方式造成很大的開關(guān)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(guān)頻率越來越高。當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，往往造成開關(guān)過程中di/dt和du/dt很大，給電路造成嚴(yán)重的噪聲污染和開關(guān)損耗，且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一系列問題。軟開關(guān)技術(shù)就是指通過輔助的諧振電路使開關(guān)管開通前電壓先降為零或者關(guān)斷前電流先降為零，這樣，就實(shí)現(xiàn)了在零電壓情況下開通或者在零電流條件下關(guān)斷，從而大大降低了開關(guān)功率損耗，減少了噪聲污染和電磁干擾。

軟開關(guān)電路的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，分別是：準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM 電路，下面分別闡述。

準(zhǔn)諧振電路

(1)最先出現(xiàn)的軟開關(guān)電路是零電壓零電流準(zhǔn)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，20世紀(jì)70年代末80年代初準(zhǔn)諧振技術(shù)得到廣泛關(guān)注，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^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(shí)出現(xiàn)，這樣就大大減少了開關(guān)應(yīng)力和功率損耗。但是它也存在自身的缺點(diǎn)：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(diào)制，變化的頻率為電路設(shè)計(jì)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(gè)降壓型脈寬調(diào)制零電流開關(guān)(見圖1)，并且和由F.C.Lee提出的傳統(tǒng)的調(diào)頻降壓準(zhǔn)諧振結(jié)構(gòu)(見圖2)做了比較。

(2)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器電壓應(yīng)力大，負(fù)載變化范圍小，這一限制可通過零電壓多諧振技術(shù)得到大大改進(jìn)。多諧振電路使所有的寄生元素包括半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)電容和變壓器漏電感組合成一個(gè)多諧振網(wǎng)，這樣就使各種形式的寄生振蕩最小化，甚至能夠在無負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。1990年，Milan Jovanovic和Fred C.Y.Lee針對半橋零電壓開關(guān)多諧振變換器(見圖3)作了全面的直流分析，第1次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同開關(guān)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(yīng)用中。2004年，S.Beherd，S.P.Das和S.R.Doradla提出了一種新型的多用準(zhǔn)諧振三相逆變器結(jié)構(gòu)，組成準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)的組件包括4個(gè)開關(guān)元件、2個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容，其中2個(gè)開關(guān)和諧振直流環(huán)節(jié)串聯(lián)，另外2個(gè)與之并聯(lián)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用空間矢量調(diào)節(jié)，工作于軟開關(guān)狀態(tài)，無源或有源三相負(fù)載低功率因數(shù)和高功率因數(shù)負(fù)載均適用。

零開關(guān)PWM 電路零開關(guān)

PWM電路包括零電壓開關(guān)PWM和零電流開關(guān)PWM。最初的零開關(guān)PWM電路是零電壓型的，它是由零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(ZVS—QRC)的諧振電感兩端接一個(gè)開關(guān)得到的。這樣就把PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合起來，使之工作于固定的開關(guān)頻率下，且開關(guān)承受的電壓明顯比準(zhǔn)諧振電路中的開關(guān)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(guān)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(gè)帶有分接頭的電感濾波器，其優(yōu)點(diǎn)是：能夠在不增加諧振電路和輔助開關(guān)器件的情況下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并使環(huán)路電流達(dá)到最小。

零轉(zhuǎn)換PWM 電路

與零開關(guān)不同的是諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，這樣可以使諧振電路受負(fù)載和輸入電壓的影響變小，使電路在輸入電壓寬范圍內(nèi)且負(fù)載由空載到滿載內(nèi)均能工作于軟開關(guān)狀態(tài)。最初的零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)是1991年由F.C.Lee，Hua G.和Leu C.S.設(shè)計(jì)提出的。在這種零電壓轉(zhuǎn)換電路中，換相是由與主開關(guān)或主二極管并聯(lián)的吸收電容輔助完成的，而且在主開關(guān)關(guān)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(guān)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(zhuǎn)換技術(shù)大為關(guān)注，出現(xiàn)了諸多的零轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是各種電路拓?fù)淇偸谴嬖诓煌问降娜毕?。為了便于人們對零電壓轉(zhuǎn)換電路作進(jìn)一步的詳細(xì)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(zhuǎn)換電路，提出了一種新的分類方法：根據(jù)輔助電壓源的不同進(jìn)行分類。

按照這種分類方法，所出現(xiàn)的零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器大致分為如下3類：(1)帶有開關(guān)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(zhuǎn)換脈寬調(diào)制技術(shù)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?fù)涑霈F(xiàn)。

軟開關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展隨著電力電子技術(shù)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(guān)頻率，但是目前開關(guān)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(guān)應(yīng)力、開關(guān)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(jìn)行的，最近的研究成果包括新型電路結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)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(diào)制，軟換相技術(shù)及瞬時(shí)平均線電流控制方法。他設(shè)計(jì)了一種新的零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制(ZVS—PWM)輔助電路，可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開關(guān)，輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，其主開關(guān)軟換相時(shí)電流應(yīng)力小，傳輸損耗小。H.Ogiwara，M.Itoi和M.Nakaoka設(shè)計(jì)出一種新型的單端推挽式軟開關(guān)高頻逆變器，該逆變器應(yīng)用于高頻感應(yīng)加熱裝置。這一新模型是在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加上諧振電路。這樣可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并且在對稱的PWM輔助電路下能在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)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(guān)單元，這種開關(guān)單元可以使主開關(guān)和輔助開關(guān)都能在零電流時(shí)開通和關(guān)斷。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是：工作于固定頻率，減少了換相損耗。只采用了一個(gè)諧振電感使電路的結(jié)構(gòu)簡單且電流應(yīng)力小，它適用于采用IGBT的大功率場合。

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如今，軟開關(guān)變換器都應(yīng)用了諧振原理，在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，勢必產(chǎn)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(guān)功率變換器的理論。組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合了無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，電路中既可以存在零電壓開通，也可以存在零電流關(guān)斷，同時(shí)既可以包含零電流開通，也可以包含零電壓關(guān)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(guān)變換器提出了不少拓?fù)洌笾驴煞譃閆VS，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(shí)現(xiàn)ZVS。ZCS方式中，變壓器原邊電流復(fù)位，器件在零電流狀態(tài)下關(guān)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(shí)現(xiàn)ZCS。電子負(fù)載中，DC/DC為低壓大電流的升壓變換，特點(diǎn)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(yán)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(shè)計(jì)是用在變壓器副邊并聯(lián)儲能電容C1，C2的方法來實(shí)現(xiàn)原邊電流的復(fù)位〔1〕，如所示，共有六種工作模式：

模式0：(t2，t3)區(qū)間。在t2時(shí)刻導(dǎo)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(fù)載。

模式1：(t3，t4)區(qū)間。Q1，Q2導(dǎo)通，能量由變壓器原邊流向負(fù)載。

模式2：(t4，t5)區(qū)間。在t4時(shí)刻關(guān)斷Q1，由于Cp1上的電壓為零，Q1為零電壓關(guān)斷，此后Cp1充電，Cp3放電，V1減小，當(dāng)變壓器副邊電壓小于V2時(shí)，C1，C2開始放電。能量由C1，C2和變壓器原邊流向負(fù)載。

模式3：(t5，t7)區(qū)間。Cp3放電完畢，D3導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)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(lì)磁電流，近似于開路。負(fù)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(shí)刻關(guān)斷Q4，由于變壓器原邊電流近似為零，Q4為零電流關(guān)斷。C1，C2放電完畢后，負(fù)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(shí)刻導(dǎo)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(fù)模式0，下半個(gè)周期開始。

4 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展。軟開關(guān)技術(shù)正由新興技術(shù)不斷走向成熟。研究人員不斷取得新的進(jìn)展。使電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(jìn)一步得到解決。開關(guān)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(guān)功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。