软开关技术及其应用[1][1].docx

软开关技术及其应用1. 软开关技术的简介1.1 软开关技术的基本概念软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电 压、电流的重叠降低开关损耗和开关噪声近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷 提供了一条有效的途径和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓 慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关 断问题理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似 为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题同时，开通时，二极管反向恢复过 程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在1.2 软开关技术的工作原理图一 软开关的开关、关断过程通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，就可 以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除开关消耗 同时，谐振过程限制了开关过程中电压电流的变化率，这使得开关噪声显著减小理想开关 过程：零压导通零压关断，开通和关断零损耗零噪声2. 软开关电路的种类及特点根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压 电路和零电流电路两大类。

通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电 路但也有个别电路中，有些开关是零电压开通，另一些开关是零电流关断的根据软开关 技术发展的历程，可以将软开关电路分成以下三种：1）准谐振电路. 是最早出现的软开关电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波， 谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声大大下降，谐振周期随输入电压、负载变化而改 变，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电 路、零电流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路和用于逆变器的谐振直流环2） 零开关PWM电路•电流和电压基本上是方波开关承受的电压明显降低电路不采用 开关频率固定的PWM控制方式零开关PWM电路可以分为零电压开关PWM电路和零电流开关 PWM电路3） 零转换PWM电路•可以分为零电压转换PWM电路和零电流转换PWM电路电路在很宽 的输入电压范围内和从零负载到满负载都能工作在软开关状态电路中无功功率的交换被削 减到最小，这使得电路效率有了进一步提高2.1 简单开关电路零电压开关准谐振电路是一种结构较为简单的软开关电路ARsc 二VD北电感L电流转电容Cl.开关s断后，电感L电流充电电容C1 (电容Cl两端电压左正右负) —VD导通续流。

VD导通，电容C1先升高后降低受反压，导通VDs开关s为零压待通.VDs 续流电阻电流维持导通•谐振电压峰值将高于输入电压的2倍，开关s的耐压必须相应提高. 这增加了成本，降低了可靠性，是零电压开关准谐振电路的一大缺点2.2 变频器的软开关电路直流环是适用于变频器的一种软开关电路.(a)谐振直流环电路原理图(b) 谐振直流环电路的理想化波形%N厂/\Or//O谐振直流环电路工作原理：t0〜t］：在t0时刻之前，开关S处于通态，在t0时刻，S关断, 电路发生谐振t〜t ：在此模态中，L两端电压差为零，t时刻以后，继续向C充电并不1 2 r 1 r断减小t〜t :在此模态中，t时刻以后，继续降低，到零反向，C继续向L放电，反向增2 3 2 r r加t〜t :在t时刻，达到反向谐振峰值，然后开始衰减，直到t时刻，S的反并联二极3 4 3 4管VD导通在此模态中，S导通，电流线性上升，直到t时刻，S再次关断 s02.3 最广泛的软开关电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一a)移向全桥零电压开关PWM电路0-* 0 - UABja门移相全桥电路工作原理开关开关开通通t2:在此模态中，t］ 态中，t2时刻S2f 开通是电压为零，开通过 后，变压器二次侧整流 短路。

t4〜t5:在此模态 零后，便反向，不断增 t5〜t0时段中，电路的壬作3.软开发技术的濒;;移相 to〜V es；关 由于此全桥在断电路的理想这-时段后电容与£其一、」"、丿〜./ . VI程中不会产生开关损极管同时t :时导］ 导通，过程与I容与电 反并联联14,s电感构，变压 振电感 是开关耗 器 的 周,导通，直到t1时刻S］关断t］〜 成谐振回路t2〜t3:在此模 管止处于导通状态，因此S2 〜^在』刻开关S4关断t,一次和二次电压均为零，相当于 电：流继续减小电感电流下降到 的一半，而在另一半开关周期 甘称，重复进行软开关技术的发展是受到其应用领域对于电源装置不断提高的技术要求而推动的，特别是 以计算机产业、通信产业为代表的IT产业，对于效果和体积的要求达到了近乎苛刻的地步 顺应这一需求，软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势1） 新的软开关电路拓扑的熟练仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍2） 在开关频率接近甚至超过1MHZ、对效率要求有很高的场合，曾经被遗忘的谐振电路 又重新得到了应用，并且表现出很好的性能3） 采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串联构成组合电路，替代原来 的单一电路成为一种趋势。

在不少应用场合，组合电路的性能比单一电路显著提高4. 软开关技术的不足之处软开关技术存在以下不足之处:1） 开关期间工作时的占空比调节范围有所减小2） 由于需要辅助换相电路，增加了装置的成本和控制难度3） 由于软开关的转化过程一般是利用分布电感及电容产生谐振来进行的，随着工艺的不 一致而变化甚大且容易变化，使工作的稳定性受影响，因此目前软开关还只是集中应用在 较小功率电源中4） 由于负载变化时，需调整开关器件的工作时序，及时发出控制命令，在高频率下，如 何实现检测负载变化，在短时间内完成时序及其它控制策略的计算是一个需要解决的问题。