软开关技术讲解

软开关技术综述

摘要

软开关技术是利用在零电压、零电流条件下控制开关器件的导通和关断，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声因而在电力电子装置中得到广泛应用。本文在讲述软开关技术的原理及分类的基础上，主要回顾了软开关技术的由来和发展历程，以及发展现状和未来的发展趋势。

关键词：软开关技术原理发展历程发展趋势

一．引言：

根据开关元件的工作状态，可以把开关分成硬开关和软开关两类。硬开关是指开关元件在导通和关断过程中，流过器件的电流和元件两端的电压在同时变化；软开关是指开关元件在导通和关断过程中，电压或电流之一先保持为零，一个量变化到正常值后，另一个量才开始变化直至导通或关断过程结束。由于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了严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。为了降低开关的损耗和提高开关频率，软开关的应用越来越多。

电力电子装置中磁性元件的体积和重量占很大比例，从电机学相关知识知道，使变压器、电力电子装置小型化、轻量化的途径是电路的高频化。但是, 传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的同时，开关损耗和电磁干扰也随之增加。所以，简单地提高开关频率显然是不行的。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。

当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应

力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。

二．软开关的简介：

1．软开关的原理：所谓“软开关”是与“硬开关”相对应的。硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；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工作。软开关是在硬开关电路的基础上，增加了小电感、电容等谐振器件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通；或使流过开关的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率。软开关包括软开通和软关断。理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称之为零电压开关。理想的软关断过程是：电流先下降到零后，电压再缓慢上升到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。硬开关、软开关的开关过程如下图：

图2-1：硬开关的开关过程

图2-2：软开关的开关过程

2．软开关的分类：根据开关元件开通和关断时电压电流状态，可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。

零电压开关：①零电压开通：开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。②零电压关断：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。

零电流开关：①零电流关断：开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。②零电流开通：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。

准谐振电路：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。是最早出现的软开关电路。其电压峰值很高，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。准谐振电路可分类为零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、电压开关多谐振电路、用于逆变器的谐振直流环节电路。其拓扑图如下：

零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元

零电压开关多谐振电路的基本开关单元

零开关PWM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。其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。零开关PWM电路可分类为零电压开关PWM电路、零电流开关PWM电路。其拓扑图如下：

零电压开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路的基本开关单元零转换PWM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。其特点为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电路可分为零电压转换PWM电路、零电流转换PWM电路。其拓扑如如下：

零电压转换PWM 电路的基本开关单元 零电流转换PWM 电路的基本开关单元

3．几种典型的软开关电路：

①零电压开关准谐振电路：以降压型为例分析工作原理。假设电感L 和电容C 很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。

图2-3：零电压开关准谐振电路原理图

其工作过程：选择开关S 关断时刻为分析的起点。t 0~t 1时段：t 0之前，开关S 为通态，二极管VD 为断态，U Cr =0，i L r =I L ，t 0时刻S 关断，与其并联的电容C r 使S 关断后电压上升减缓，因此S 的关断损耗减小。S 关断后，VD 尚未导通。电感L r+L 向C r 充电， U C r 线性上升，同时VD 两端电压U VD 逐渐下降，直到t 1时刻，U VD =0，VD 导通。这一时段U C r 的上升率：Cr L r

du I dt C 。t 1~t 2时段：t 1时刻二极管VD 导通，电感L 通过VD 续流，C r 、L r 、U i 形成谐振回路。t 2时刻，i L r 下降到零，U C r 达到谐振峰值。t 2~t 3时段：t 2时刻后，C r 向L r 放电，直到t 3时刻，U C r =U i ，i L r 达到反向谐振峰值。t 3~t 4时段：t 3时刻以后，L r 向C r 反向充电，U C r 继续下降，直到t 4时刻U C r =0。t 4~t 5时段：U C r 被箝位于零，i L r 线性衰减，直到t 5时刻，i L r =0。由于此时开关S 两端电压为零，所以必须在此时开通S ，才不会产生开通损耗。t 5~t 6时段：S

为通态，

i L r线性上升，直到t6时刻，i L r=I L，VD关断。t6~t0时段：S为通态，VD为断态。

图2-4：零电压开关准谐振电路的理想波形

零电压开关准谐振电路的缺点是谐振电压峰值将高于输入电压U i的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。

②谐振直流环：谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路等效为如图2-5所示电路。

图2-5：谐振直流环电路原理图

图2-6：谐振直流环电路的等效电路

其工作过程：t2~t3时段：U C r向L r和L放电，i L r降低，到零后反向，直到t3时刻U C r=U i。t3~t4时段：t3时刻，i L r达到反向谐振峰值，开始衰减，U C r继续下降，t4时刻，U C r=0，S的反并联二极管VDS导通，U C r被箝位于零。t4~t0时段：S导通，电流i L r线性上升，直到t0时刻，S再次关断。

图2-7：谐振直流环电路的理想化波形

谐振直流环电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。

③移相全桥型零电压开关PWM电路：移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~T S/2时间，而S2的波形比S3超前0~T S/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。

图2-8：移相全桥零电压开关PWM电路

其工作过程：互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~T S/2时间，而S2的波形比S3超前0~T S/2时间，因此称S1和S2为

超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感L r、L构成谐振回路，U A不断下降，直到U A=0，VDS2导通，电流i L r通过VDS2续流。t2~t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。t3~t4时段：t3时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与L r构成谐振回路。L r的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。t4~t5时段：S3开通后，L r的电流继续减小。i L r下降到零后反向增大，t5时刻i L r=I L/k T，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t0~t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。

图2-9：移相全桥电路的理想化波形

④零电压转换PWM电路：零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。

图2-10：升压型零电压转换PWM电路的原理图

其工作过程：辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。t0~t1时段：S1导通，VD尚处于通态，电感L r两端电压为U o，电流i L r线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，i L r=I L，VD中电流下降到零，关断。t1~t2时段：L r与C r构成谐振回路，L r的电流增加而C r的电压下降，t2时刻U C r=0，VDS导通，U C r被箝位于零，而电流i L r保持不变。t2~t3时段：U C r被箝位于零，而电流i L r保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。t3~t4时段：t3时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时S1关断，L r中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中的电流线性上升。t4时刻i Lr=0，VD1关断，主开关S中的电流i S=I L，电路进入正常导通状态。t4~t5时段：t5时刻S关断。C r限制了S电压的上升率，降低了S的关断损耗。

图2-11：升压型零电压转换PWM电路的理想化波形

三．软开关的发展由来、现状、未来趋势

自上世纪70年代以来，国内外电力电子和电源技术领域不断研制开发

高频软开关技术，到目前为止，已提出了多种不同的软开关拓扑结构，实际应用也取得了一系列成功。最先出现的软开关的电路是零电压零电流准谐振电路拓扑结构，20 世纪70 年代末 80 年代初准谐振技术得到广泛关注, 因为它能够通过谐振来整定电压和电流的波形, 使大电压和大电流不能同时出现,这样就大大减少了开关应力和功率损耗。但是它也存在自身的缺点:谐振使电压峰值很高, 要求其大的所用的器件耐压性能好；电流的有效值很大, 另外,它要求对脉冲频率调制, 变化的频率为电路设计造成了困难。软开关技术先后经历了串联或并联谐振技术（20世纪70年代）、准谐振或多谐振技术（20世纪80年代中期）、ZCS-PWM 或ZVS-PWM技术（20世纪80年代末期）、移相全桥ZVS-PWM技术（20世纪 80年代末期）、ZCT-PWM 或ZVT-PWM技术（20世纪90年代初期）、全桥移相ZVZCS-PWM技术（20世纪90年代中期）等发展阶段。

随着电力电子技术的发展,目前对电力电子装置的要求愈加趋向于小型化, 轻量化,并希望能提高开关频率,但是目前开关器件的频率已接近于极限,并且随着频率的提高又带来了噪声污染、电磁干扰、开关应力、开关损耗等一系列问题。目前的研究仍是针对解决上述问题而进行的, 最近的研究成果包括新型电路结构的出现和应用范围的不断扩大等。Chien- ming Wang提出了一种新型的功率因数校正器。这种功率因数校正器采用传统的脉宽调制,软换相技术及瞬时平均线电流控制方法。他设计了一种新的零电压开关脉宽调制(ZVS- PWM)辅助电路,可实现主开关和辅助开关的零电压开关, 辅助开关实现零电流开关, 其主开关软换相时电流应力小,传输损耗小。

H1Ogiwara, M1Itoi 和M1Nakaoka 设计出一种新型的单端推挽式软开关高频逆变器,该逆变器应用于高频感应加热装置。这一新模型是在传统电路的基础上加上谐振电路。这样可实现软开关并且在对称的PWM辅助电路下能在大范围内连续调节输出功率,其工作频率固定为20kHz,用在家用加热电器中具有很好的安全性和高效性。

C1M1Wang, H1J1Chiu和D1R1Chen提出了一种新型的零电流 PWM 开关单元, 这种开关单元可以使主开关和辅助开关都能在零电流时开通和关

断。这种变换器的优点是：工作于固定频率,减少了换相损耗,只采用了一个谐振电感使电路的结构简单且电流应力小,它适用于采用IGBT的大功率场合。

如今,软开关变换器都应用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点,电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这4种状态的任意组合。

目前，软开关技术的进展主要在小功率开关电源领域，对于中大功率电源，特别是焊接电源，由于工作环境恶劣，器件容量及可靠性等方面的原因，软开关技术应用还比较少。但从长远观点来看，软开关技术应用到逆变焊接电源中是焊接电源的发展方向。目前已研制出产品，如双 IGBT 管正激零电压转换-脉宽调制（ZVT-PWM）软开关焊接电源，输出 20 kW,500A,开关频率40kHz，效率92 %。该电源冲击电流小，动态特性好，负载不影响软开关特性。

软开关技术因其众多优越性, 成为降低开关损耗、提高系统效率、改善电磁干扰、提高系统可靠性的一个重要手段,受到越来越多的关注。减少元器件的数量是提高电源效率，提高可靠性，降低成本的根本措施。软开关虽然可以减少开关损耗，但由于增加了元件数量，使系统的成本增加，并使控制变得复杂。因此，近几年对软开关的研究，通常结合功率因数校正（PFC）技术，把软开关、功率因数校正合并为一级，从整体上提高电源的性能。可以预见，简化电路及变流电路的结构，提高整体性能是今后软开关技术的研究方向。

四．结语：

软开关技术的出现，改善了硬开关存在的损耗、噪声等问题，提高了开关的频率。随着电力电子技术的不断发展,软开关技术正由新兴技术不断走向成熟。研究人员不断取得新的进展,使电力系统的转换和传输中能量损耗

不断降低,电磁干扰逐渐减少, 噪声污染正进一步得到解决。

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