软开关：了解基本概念

1.硬开关与软开关

从20世纪60年代开始得到发展和应用的PWM 功率变换技术是一种硬开关技术。为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。

在对电力电子电路进行分析时，将开关理想化，认为开关状态的转换是在瞬间完成的，忽略了开关过程对电路的影响。这样的分析方法便于理解电路的工作原理，但实际电路中开关过程是客观存在的，开关不是理想器件，因此在开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，产生了开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。开关频率越高，总的开关损耗越大，电路的效率就越低。开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。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，如图6－13所示。

图6－13　硬开关的开关过程

（a）硬开关开通过程；（b）硬开关关断过程

传统PWM 技术下的开关工作在硬开关状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高，它存在如下问题：

（1）开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。

（2）感性关断问题：电路中难免存在感性元件（引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感）、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di/dt 很大，从而产生大的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），而且产生的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。

（3）容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。

（4）二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关和二极管耗急剧增加，重则致其损坏。

器件开关过程的开关轨迹如图6－14所示，SOA 为器件的安全工作区，A 为硬开关方式的开关轨迹。由于开关过程中器件上作用的电压、电流均为方波，开关状态转换条件恶劣，开关轨迹接近SOA 边沿，开关损耗和开关应力均很大。此时虽可在开关器件上增设吸收电路以改变开关轨迹及相应开关条件，但仅仅是使部分开关损耗从器件上转移至吸收电路中，并没有减少电路工作中的损耗总量。(www.xing528.com)

在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的正常工作。为了大幅度地降低开关损耗、改善开关条件，可以采用软开关方式，基本思想是创造条件使器件在零电压或零电流下实现通、断状态的转换，从而使开关损耗减少至最小，为器件提供最好的开关条件，如图6－14中曲线B 所示。具体措施是在开关电路中增设小值电感、电容等贮能元件，在开关过程前、后引入谐振，确保在电压或电流谐振过零时刻实现开通和关断。就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图6－15所示。具有这样开关过程的开关称为软开关。

图6－14　器件开关轨迹

图6－15　软开关的开关过程

（a）软开关开通过程；（b）软开关关断过程

2.零电压开关与零电流开关

开关损耗包括开通损耗和关断损耗。利用软开关技术可以减小变换器的开通损耗和关断。软开关有两种类型零电压开关和零电流开关。

零电压开关过程分为零电压开通和零电压关断。零电压开通是指在开关管开通前，使其电压下降到零，开通损耗基本减小到零。零电压关断是指在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，关断损耗大大减小。

零电流开关过程分为零电流开通和零电流关断。零电流开通是指在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，开通损耗大大减小。零电流关断是指在开关管关断前，使其电流减小到零，关断损耗基本减小到零。

零电压开通和零电流关断具有较好的性能。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。实现零电压关断是将谐振电容与开关元件相并联，能延缓开关关断后电压上升的速率，降低关断损耗；实现零电流开通是将谐振电感与开关元件相串联，能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗，这种开通过程有时称为零电流开通。