软开关：什么是软开关？

在电力电子电路中，电力电子器件工作在开关状态，通过对电力电子器件的开通和关断控制，实现能量流动的控制。然而，电力电子器件并非理想的开关，存在开通延时和关断延时，从而引起在开关过程中电力电子器件两端的电压和通过它的电流出现重叠时间，造成开关损耗。另外，电路中存在的布线电感、变压器存在漏感及寄生电容，功率MOSFET和功率二极管的结电容等，也都会在电路开关过程中产生尖峰电压和尖峰电流，同时造成电能损耗和对周围的设备造成电磁干扰。

为减少电力电子器件的开关损耗，软开关技术应运而生。软开关技术可以减少电力电子器件在开通和关断瞬间加在电力电子器件两端的电压和通过的电流的重叠时间，从而减少电力电子器件的开关损耗，同时抑制电压或电流过冲的发生。软开关技术是基于谐振原理减少电力电子器件的开关损耗和电压、电流应力的一种新颖开关技术的总称。

1.重叠时间与开关损耗

为理解软开关技术，首先让我们来分析电力电子器件的开关过程。下面以双极型功率晶体管开关过程为例加以介绍。图1-16给出功率晶体管集电极c和发射极e之间的电压v_ce（t）和集电极电流i_c（t）的波形。由于本节重点讨论功率器件的开关损耗，这里假定晶体管在导通期间的通态压降可忽略不计；晶体管截止期间，集射间的阻抗为无穷大；并且功率晶体管开通与关断的重叠时间相同。从图1-16看到，功率晶体管在开通或关断过程中，晶体管两端的电压和流过它的电流存在非零的重叠时间。由于开关管不是理想开关器件，在开通时，开关管的电压不会突降到零，而要经历一个逐渐下降的过程。同时，通过开关管的电流也不是突然上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，开关管的电压和电流存在一个重叠区，产生的损耗称为开通损耗。类似地，当开关管关断时，开关管的电压也要经历一个从零上升到电源电压的过程，流过开关管的电流也逐渐下降为零。在这段时间里，电流和电压也有一个重叠区，产生的损耗称为关断损耗。开通损耗和关断损耗之和称为开关损耗。

为简化分析，这里假定晶体管开通与关断过程的重叠时间相同，均为Δt。晶体管开通过程中，开关管两端电压和流过电流可分别表示为

式中，V_s为晶体管关断期间加在它两端的电压；I_s为晶体管导通期间流过的电流。

图1-16 晶体管硬开关工作过程

一个开关周期晶体管开关损耗平均功率为

式中，T_s为开关周期；f_s为开关频率，f_s=1/T_s。

由式（1-12）可见，平均开关损耗功率与开关频率f_s和开关过程电压电流重叠时间Δt之积成正比。因此，在高频应用场合，为抑制开关损耗，需选用Δt小的电力电子器件，即开关速度快的器件。

由前面的分析可知，在晶体管开关过程中，电压与电流同步变化，晶体管两端电压与通过它的电流出现了同时都非零的时间区间，因而造成开关损耗。若能减小晶体管开关过程中电压与电流重叠时间Δt，就可以减小开关损耗P_sw。若能在晶体管开通过程中，将电流上升阶段和电压下降阶段错开；在晶体管关断过程中，将电流下降阶段和电压上升阶段错开，那么就可以减小开关损耗，如图1-17所示。这可以通过LC谐振电路实现。开关过程重叠时间减少后平均开关损耗功率为

式中，δ表示开关过程重叠时间减少后晶体管开关过程中电压、电流重叠时间。

改进后的开关损耗与原开关损耗之比为

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图1-17 减少电压、电流重叠时间

P_ssw/Psw与δ/Δt的关系如图1-18所示。从图1-18可知，随着重叠时间的减小，开关损耗显著减小。应用软开关技术可以减小重叠时间δ，因此可以显著减小开关损耗。

2.MOSFET的漏源间电容C_ds放电损耗

假定MOSFET已处于关断状态，之后开通MOSFET，MOSFET中将流过过冲电流。这是由于MOSFET的漏源间电容C_ds放电引起的。放电引起的损耗为C_dsv²/2（v为MOS-FET两端电压）。MOSFET两端的电压愈高，电容C_ds愈大，MOSFET的开通时间t_on愈短，于是过冲电流就愈大。

图1-18 改进后的开关损耗与原开关损耗之比P_ssw/P_sw与δ/Δt

3.二极管反向恢复过程

如图1-19所示Boost型DC-DC变换器，当工作在CCM时，当MOSFET关断期间，电感L电流I_L通过二极管VD向负载传输能量。而当MOSFET开通瞬间，二极管要经历一个反向恢复过程，反向恢复时间为t_rr，此时在二极管VD和MOSFET中产生功率损耗，如图1-20所示。一旦反向恢复过程结束，二极管VD恢复阻断能力，输出电压V_o作为反向电压施加在二极管VD两端。二极管将经历从导通状态至截止状态转移过程，即反向恢复过程。二极管中已存储的电荷Q_rr反向抽出，形成较大反向恢复电流。反向恢复电流同时将通过MOSFET，在MOSFET中形成电流过冲。

图1-19 Boost型DC-DC变换器

图1-20 二极管反向恢复过程

4.软开关方式的分类

增加功率变换器的开关频率，可以减小储能元件如电感、电容、变压器的体积，因此，高频化是提高功率变换器的功率密度的重要途径。要实现高频化，就必须减少开关损耗。

如图1-21所示，减小开通损耗的方法有：①在开关管开通过程中，使其电流保持零，或者使电流缓慢上升，从而减小在开通过程中电流、电压交叠区的功率损耗，这种开通方式通常称为零电流开关开通（ZCS on）。②在开关管开通前，使其承受的电压先下降到零，然后再加栅极驱动信号，使开通过程功率开关器件上的电流电压交叠区功率损耗为零，这种方式称为零电压开关开通（ZVS on）。减小关断损耗方法有：①使通过开关管电流自然过零，再撤除栅极驱动信号的开关管关断方法，称之为零电流开关关断。这样基本上避免了关断损耗，称为零电流开关关断（ZCS off）。②在开关管关断过程中，保持其端电压为零，或限制电压上升速率，从而减小电流与电压的重叠区中的功率损耗，这种方法称为零电压开关关断（ZVS off）。