软开关技术的发展历程与电路分类介绍

现代电力电子技术朝着小型化、轻量化的方向发展，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。

一般来说，滤波电感、电容和变压器的体积和质量占了装置的体积和质量的很大比例，所以要实现小型化和轻量化首先必须设法降低它们的体积和质量。从电路的相关知识可以得知，工作频率的提高可以减小变压器中各绕组的匝数和铁心的尺寸，从而使变压器小型化。因此高频化是实现装置小型化、轻量化的最直接的途径。但是，频率的提高，开关损耗也会随之提高，电路效率就会下降，电磁干扰会增大，所以简单机械的提高开关频率的措施是不可行的。针对这些问题提出了软开关技术，它主要利用谐振的辅助换流手段，解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，这样可以使开关频率大幅度提高。

7.7.1 硬开关与软开关

在对电路进行分析时，我们总是将电路理想化，尤其是将其中的开关理想化，认为开关转换的过程是在瞬间完成的，而忽略了开关过程对电路的影响。但是在实际的电路转换中，开关过程是客观存在的，一定条件下还可能对电路产生重要影响。开关过程中电压、电流不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生，具有这样的开关过程的开关被称为硬开关（图7-25）。在硬开关过程中，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。

图7-25 硬开关的开关过程

在原电路中增加电感Lr、Cr等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压先降为零或关断前电流先降为零，消除开关过程中电流电压的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。

软开关的典型开关过程如图7-26所示。

图7-26 软开关的开关过程

7.7.2 零电压开关与零电流开关

零电压开通：

开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。

零电流关断：

开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。

零电压关断：

与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。

零电流开通：

与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。

值得注意的是，当不指明是开通还是关断状态时，一般就简称为零电压开关和零电流开关。简单的利用并联电容或串联电感实现零电压关断或零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等影响，所以要与零电压开通和零电流关断配合使用。

7.7.3 软开关电路分类

下面我们对于软开关电路进行分类：

根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路，如图7-27所示。(www.xing528.com)

图7-27 基本开关单元的概念

下面分别介绍三类软开关电路。

1）准谐振电路（图7-28）

图7-28 准谐振电路的基本开关单元

准谐振变换器是开关技术的一次飞跃，其特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。由于正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值不同，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大过负向正弦半波，所以常称为准谐振。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振。利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器（Zero-current-switching Quasi-resonant Converters，ZCS QRCs）和零电压开关准谐振变换器（Zero-voltage-switching Quasi-resonant Converters，ZVS QRCs）。而谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；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（Pulse Frequency Modulation，PFM）方式来控制。

2）多谐振变换器（图7-29）

图7-29 零电压开关多谐振电路的基本开关单元

多谐振变换器和准谐振变换器一样，也是开关技术的一次飞跃，其特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回路、参数可以超过两个，例如三个或更多，称为多谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。

3）零开关PWM电路（图7-30）

图7-30 零开关PWM电路的基本开关单元

此类电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。

零开关PWM电路可以分为：

（1）零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter，ZVS PWM）；

（2）零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Converter，ZCS PWM）。

这类电路有以下特点：

电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满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。

4）零转换PWM电路（图7-31）

图7-31 零转换PWM电路的基本开关单元

这类电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。这类电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满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。零转换PWM电路可以分为：零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter，ZVT PWM）和零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter，ZCT PWM）。