高频软开关技术应用及发展

1 引言
20世纪60年代开始得到发展和应用的DC-DC PWM“硬开关”功率变换技术，功率开关管导通或关断时，器件上的电压和电流不等于零。因此，功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗，而且，开关频率越高，开关损耗越大，变换器效率大为降低。然而，提高开关频率是现代开关变换技术的重要发展方向之一。开关变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减小，从而提高开关变换器的功率密度，提高设备的集成化程度。此外，提高开关频率也有利于降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。
高频软开关技术在这种要求下应运而生，使开关电源能够在高频下高效率地运行。软开关技术是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；或开关管电压自然过零时，使开关管导通，从而使开关管关断和导通损耗为零，实现了开关电源高频化的设计，而且提高了电源效率。
几十年以来，高频软开关技术得到了迅猛的发展和应用，大致经历了以下几个阶段(见表1)：
2 谐振变换器
2.1串并联谐振技术
串联谐振变换器(SRC)和并联谐振变换器(PRC)：串联谐振变换器中，谐振电感Lr和电容Cr与输出变压器原边绕组串联；而并联谐振变换器中，谐振电感Lr和电容Cr与输出变压器原边绕组并联。二者都是应用谐振原理，使开关变换器的电流(电压)按正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，开关管关断；偶或开关管电压为零时导通，从而实现了串并联谐振变换器。图1所示为一高于谐振频率工作的串联输出谐振变换器，其功率晶体管工作在零电压开关状态，它的软开关特性与并联在开关管两端的无损吸收电容有密切关系。
谐振变换器一般应用于大功率，输入电压较窄的场合。串联谐振变换器适用于高电压、小电流；并联谐振变换器适用于低电压、大电流。
2.2准谐振或多谐振技术
降压型ZVS-QRC和ZCS-QRC是利用ZVS谐振开关和ZCS谐振开关代替PWM开关的软开关变换器技术(如图2所示)：由于电路中Lr和Cr谐振，使主开关功率MOSFET的电压Vds(Ids)按正弦规律变化，Vds(Ids)过零时主开关管开通(关断)，实现准谐振变换器。
准谐振变换器也可以用两个以上谐振元件组成多谐振开关代替PWM开关变换器中的PWM开关，实现多个谐振频率的准谐振变换器(Multi-Resonent Converter)。
谐振变换器(QRC)实现了软开关，提高了开关频率，降低了开关损耗，但其输出电压与开关频率有关，为保证输出电压不变，必须采用变频调制。因此，控制方式不如PWM变换器简单，并且变压器、电感等元件的最低频率设计不易实现。因此，出现了将PWM恒频控制和QRC相结合的ZVS-PWM和ZCS-PWM变换技术。
3 零开关-脉宽调制变换器
3.1 ZVS/ZCS-PWM变换器
图3所示为Buck型ZCS-PWM变换器原理图。输出滤波电感Lf很大，输出端近似为一恒流源。主开关管S1导通谐振电感Lr电流线性上升到负载电流I。；当体二极管D2导通时，Lr和Cr谐振，电感电流按准正弦规律振荡，当电感Lr电流值降到I。时，电容Cr充电，电容电压上升，二极管D2电压上升到Vin截止；电容充电至2Vin，二极管D2电压也维持到Vin；驱动信号使S2导通，D2电压降到0，电容Cr放电，电压下降到零，Lr，Cr谐振，Lr电流下降到过零变负，这时只要给主开关S1一个关断信号，就可实现ZCS，主开关截止；I。反向恒流充电，Cr电压衰减至零；最后，负载通过二极管D续流，S2关断。
图4所示为Buck型ZVS-PWM变换器原理图，一周期经过恒流充电阶段，续流阶段，准谐振阶段，电感电流上升阶段，最后是恒流阶段。一周内变换器一段时间处于续流阶段，与PWM变换器相似，另一阶段处于准谐振阶段，与ZVS-QRC相似。
由以上分析可知，ZCS-PWM和ZVS-PWM均实现恒频控制，但谐振电感在主回路中，ZCS条件和ZVS条件均与电网电压，负载变化有关。前者主开关电压应力小，但二极管Ｄ电压应力大；后者电流应力小，但电压应力大。由于ZCS-PWM和ZVS-PWM两种变换器的谐振电感串联在主回路中，在轻载下有可能失去零开关条件，因此提出了一种谐振网络与主开关并联的“零转换”(Zero Transition)技术。
3.2 ZVT/ZCT-PWM变换器
图5所示为一种新型的正激式ZVT-PWM变换器电路。VS2开通，L1和C1通过VS2谐振，C1开始放电，L1电流按正弦规律上升，可知VS2零电流开通，C1下降到Vin时D1导通，L1电流上升到最大值，C1和C并联谐振；当C1和C下降至零时VS1零电压导通；L1电流谐振至零反向时VS2零电压关断，D2导通参与谐振，C1按正弦规律增加，D1关断，C1电压2Vin，L1电流为零，C电压为零；C1电压，L1电流保持为零；由于电容C电压为零，VS1零电压关断，然后电源经变压器原边给C充电至2Vin，同时各C1充电，C和C1同时上升至最大，D1导通；谐波电流反向时,由于D1的单向性,C1无法通过D1放电而保持电压为Vcm；C经原边对Vin放电,由于VS1结电容很小,故此时的放电较快，当C电压下降至Vin时，放电结束，C电压保持在Vin，保持至下一周期。
ZVT-PWM变换器零电压导通，保持恒频运行；二极管零电流截止，避免了二极管反向恢复使关断损耗过大的问题，开关电流和电压应力小，在较宽的电源电压和负载电流变化范围内可满足ZVS条件。
3.3 移相控制全桥变换器
图6所示为一移相全桥型零电压PWM软开关电路。移相全桥(Phase-Shifting Control—PSC)PWM变换器可将开关频率提高至0.5M～1MHz级水平，利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏感作为谐振元件，使FB PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。但是，由于滞后桥臂开关S2、S4实现ZVS主要靠变压器漏感储能，轻载时不易满足ZVS条件。同时，在输出能量的开始时，FB-ZVS-PWM会发生占空比丢失现象，造成开关损耗严重。
鉴于PSC FB ZVS-PWM变换器的滞后臂不易满足ZVS条件，20世纪90年代初开发了一种PSC FB ZVZCS-PWM变换器(如图7所示)。PS FB ZVZCS-PWM变换器中为实现滞后桥臂ZCS而在原边串联了饱和电感，而非线性电感就是用来减小占空比的丢失。
PSC FB ZVZCS-PWM变换器实现了超前臂开关ZV开通，滞后桥臂开关ZC关断；开通和关断损耗几乎为零；满足软开关条件的负载和输入电压变化范围很宽；效率高，功率密度高。
4 广义软开关PWM技术
我们把利用吸收电路技术，减小PWM变换器开关损耗，提高电路效率的过程称为开关过程软化，这种技术称为广义软开关PWM技术。
在开关变换器的功率开关管上并联钳位电路(Clamp)，就是采用并联吸收电路抑制电力电子系统的开关浪涌电压或电流，从而提高电路效率的方法。图8所示为有源钳位双管正激变换器原理图，是一种新型软开关变换器。它通过在双管正激变换器的变压器原边并联一个有源钳位网络，以实现钳位，去磁和零电压开关等功能。
由于采用了有源箝位网络,使得谐振电压、电流幅值约束在一个较小的范围内，减小了开关的电压、电流应力，提高了开关的可靠性，同时使得励磁电流可以双向流动，磁滞回线位于一、三两个象限，提高了变压器的利用率，易于减小其体积。
5 结语
高频软开关技术改善了开关器件转换过程中的开关损耗，实现了电力电子能源的“绿色化”和“高频化”。采用谐振变换器的高频软开关技术为保持输出电压不随输入电压变化而变化采用的是调频系统，然而变压器和磁性元件不易实现。零电压开关(ZVS)PWM变换电路、零电流开关(ZCS)PWM变换器既有电压过零(电流过零)控制的软开关特点，又有PWM恒频调宽的特点，但变换电路中开关管的电压或电流应力较大。而零转换开关电路谐振网络和主功率开关器件并联，因而在使主开关器件软开关工作的同时，并没有增加过高的电压或电流应力，同时，辅助谐振网络并不需要处理很大的环流能量。移相全桥软开关变换器在不增加或增加很少元件的情况下，除具有传统全桥变换器中开关器件电压、电流额定值较低，功率变压器利用率高，输出功率大的特点外，还实现了开关器件的恒频控制，而且电压电流应力小。
开关变换器的高频化是开关变换器的重要发展方向，高频软开关技术的实现减小了变换器的体积和重量，降低了开关电源的音频噪声，提高了变换器的功率密度和动态响应，具有十分重要的应用价值。