软开关电路分类及实现方式

根据开关器件开通和关断时的电压、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。

由于每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，因此可以用图6-4中的基本开关单元来表示，不必画出各种具体电路。实际使用时，可以从基本开关单元导出具体电路，开关和二极管的方向应根据电流的方向作相应的调整。

图6-4 基本开关单元的概念

a）基本开关单元 b）降压斩波电路中的基本开关单元 c）升压斩波电路中的基本开关单元 d）升降压斩波电路中的基本开关单元

软开关的实现一般都使用谐振原理，利用LC谐振时的电压过零或电流过零，使开关在零电压或零电流状态下通断，减小开关损耗。实现软开关的电路很多，如今用于DC-DC斩波电路和DC-AC逆变电路的软开关主要可以分为下面几类。

（1）谐振型电路（Resonant Converter）

谐振型电路由LC电路和负载组成负载谐振电路，LC在整个开关周期中都参与能量的变换，谐振型变流器根据负载与LC的连接方式又有串联谐振（电压谐振）和并联谐振（电流谐振）两种。电压型串联谐振式逆变电路和电流型并联谐振式逆变电路属于谐振型变流电路，谐振型变流电路的工作状态对负载的变化很敏感，谐振频率随负载的变化而变化。

（2）准谐振型电路（Quasi-Resonant Converter）

准谐振型电路与谐振型电路不同的是谐振仅发生在一个开关周期的部分时段中，其余时间准谐振型电路仍运行在非谐振模式，即谐振仅发生在谐振型电路能量变换的某一阶段。它有零电压开关准谐振型、零电流开关准谐振型和零电压开关多谐振型等多种软开关电路，其中零电压开关准谐振电路和零电流开关准谐振电路只能改善谐振型电路中一个器件（开关管或二极管）的开关条件，多谐振电路可以同时改善开关管和二极管的开关条件。

准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。它可以分为零电压开关准谐振电路（ZVS QRC）、零电流开关准谐振电路（ZCS QRC）、零电压开关多谐振电路（ZVS MRC）。图6-5给出了这三种软开关电路的基本开关单元。

图6-5 准谐振电路的基本开关单元

a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元

特点：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，简称PFM）方式来控制。

（3）零开关PWM电路（Zero Switching PWM Converter）(https://www.xing528.com)

这类电路软开关的特点是在准谐振回路中加入了辅助开关来控制谐振的过程，在需要谐振时才启动谐振回路，形成零电压或零电流的开关条件，此类软开关电路以PWM方式工作。

零开关PWM电路可以分为：零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Con-verter，简称ZVS PWM）、零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Converter，简称ZCS PWM）。这两种电路的基本开关单元如图6-6所示。

图6-6 零开关PWM电路的基本开关单元

a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元

特点：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

（4）零转换PWM电路（Zero Transition Converter）

零转换PWM变流器与零开关PWM变流器的不同点是：将控制谐振的辅助开关与主开关由串联改为并联，并联后辅助开关不流过负载主电流，负载电流对谐振的影响减小，辅助谐振电路的功耗也减小。零转换PWM变流器是在零开关PWM变流器基础上的改进，其电路结构和控制的研究在继续进行中。

零转换PWM电路可以分为：零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Con-verter，简称ZVT PWM）、零电流转换PWM电路（Zero-Current-Transition PWM Converter，简称ZVT PWM）。这两种电路的基本开关单元如图6-7所示。

图6-7 零转换PWM电路的基本开关单元

a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元

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。

（5）谐振直流环节逆变电路（Resonant DC Link Inverter）

谐振直流环节逆变电路在DC-AC变换的直流部分插入了LC谐振电路，利用LC谐振时电压周期性过零的特点，为后级逆变器的开关器件创造零电压开通或零电压关断条件，减小逆变器的开关损耗。这种电路的特点是用一套直流环节上的谐振电路为三相逆变器六个开关器件提供软开关条件，在此电路的基础上延伸了多种三相逆变电路的软开关方案，这些方案也正在不断研究完善中。