PWM软开关电路剖析
低脉动软开关PWM逆变器的参数设计及分析
图 １ 钳 位 型软 开 关 逆变 器 电 路 结 构
关断 时 （０时 刻 ）， １ ＶＴ ｔ ＶＴ 、 ２触 发 导 通 ， 、 １ 过 ＬＣ 通
ＶＴｌＶＴ 谐 振 ， 、 ２ 当谐 振 电 流 下 降 到 一 定 程 度 时 （ ｌ ｔ
时刻 ）零 电压关 断 ＶＴ ， Ｃ继 续谐 振 ， ， ２Ｌ、 Ｃ两端 电压
ｆ１ 一ｆ ＋ Ｉ ｌ ｆｌｍ ｃ＝ ｄ Ｌ ≤ （ ） ｃ
一 Ｕｄ
收稿 日期 ：０ １ ８—１ ２ ０ —０ ０ 定稿 日期 ：０ １ ０—２ ２ ０ —１ ９ 作者 简 介 ： 方 向 （９ ７ ） 男， 北 黄 冈人 ， 士 研 究 １７ 一 ， 湖 硕
基 金 项 目： 海 市科 技 启 明 星 计 划 （９ ６ 和 上 海 市 教 委 上 ￥８ ）
青 年 基 金 （ ９ ３ 资助 项 目 Ｓ８）
图 ２ 谐 振 环 节 电压 和 电感 电 流波 形
结合文 献 ［ ］ ２ 对该 电路的分 析 ， 可得 出 图 ２所示
符号 的等式 关 系 ：
ＦＡ Ｎ Ｇ ａ ｇ， ＸＵ ｕ — ｉ Ｘｉｎ Ｇ ｏ ｑｎｇ， ＸＵ Ｚｈｅ ｘ ｏ ｇ — ｉｎ
（ ｎｊ Ｔｏ ｇ Ｕｎ ｖｒｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ３ １ ｈ ｎ ｉｅｓｔ ｙ ｈ ｎ ｈ ｉ２ ０ ３ ，Ｃ ｉａ）
Ａｂ ｔａｃ ： ｓｒ ｔ Ｔｈｅｐａ ａ ｅ ｅ ｅ ｉ ｉ ｉ ｌ ｎｄ ｌｓ ｎａｙ ｉ ｆａ ｓ ｆ—ｗ ｉｃ ｄ ＰＷ Ｍ ｎｖ ｒｅ ｔ ｌｗ－ ｉｐｌ ｔ ｕ ｓ ｒｍ ｔ ｒｄ ｓｇｎ ｐｒｎｃｐｅ ａ ｏ ｓ ａ ｌ ｓｓｏ ｏ ｔｓ ｔｈｅ ｉ ｅ ｔｒ ｗｉｈ ｏ ｒｐ ｅｏｕ ｐ ｔｉ ｄｓ ｕ ｅ ｎ ｄｅａ ｌ ａ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕａ ｉｎ ｗｉｈ ｔ ｅ ｉ ｅ ｔ ｒｍ ｏ ｅ ｓｃ ｒ ｉｄ ｏｕ ． ｍ ｕａ ｉｎ ｒ ｕｌ ｒｆ ｈｅ ｒ ａ ｏ ｉｃ ｓ ｄ ｉ ｔｉ， ｎｄ ｎｕ ｒｃ ｓｍ ｌｔｏ ｔ ｈ ｎｖ ｒｅ ｄ ｌｉ ａ ｒｅ ｔ Ｓｉ ｌｔｏ ｅ ｔ ｖｅｉｙ ｔ ｅ ｓ ｎ— ｌ ｓ ｓ ａ ｌｎｅｓ ｏ ｈｅｐａ ａ ｅ ｅ ｅ ｉ ｎ ｐｒｎｃｐｌ ｂ ｅ ｓ ｆｔ ｒ ｍ ｔ ｒｄ ｇ ｉ ｉ ｅ． ｓ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｐ ｒ ｍ ｅｅ ｓ ｄ ｉｎ；ｓ ｆ ｗｉｃ ｙ ｒ ｓ： ａ ａ ｔｒ ｅ ｇ ｓ ｏ ｔｓ ｔ ｈ； ｒｓ ｎ ｎｔｃｒ ｕｉ ｅ ｏ ａ ｉｃ ｔ
陈鹏-PWM硬开关软开关
在各种逆变变换技术中M硬开关工作方式，高压直流电源的主 电路拓扑如图所示。
Lr为变压器漏感及导线杂散电感，C0为电除尘负载等效电容，R0为电除尘 负载等效电阻。Vin为直流母线电压，V0为负载电压折算到变压器原边值， 变压器变比为l：n。
采用的高压直流电源的主电路拓扑如图所示。
变压器变比为1：n，Lr为谐振电感(利用变压器漏 感和导线杂散电感)，Cr为谐振电容(外加电容)， C0、R0分别为负载等效电容和电阻。
在电流断续工作方式下，电路有三种开关模式： 1．开关模式1，to到t1期间，开关管S1、S4导通， f>0，电路正向谐振； 2．开关模式2，t1到t2期间，反并二极管D1、D4导通， f<0，电路反向续流谐振； 3．开关模式3，t2到t3期间，i=0，所有的开关管和二 极管均关断，电路处于谐振电流断续状态，所有谐振元 件状态不变。
t0时刻开关管S1和S4的驱动脉冲到来，开关管S1和s4 导通，电感Lr被充电，逆变输出电流i沿直线上升。此时高 压硅堆D02和D03导通，逆变电路通过变压器和高压硅堆 给负载供电。 t1到t2时间段，反并联二极管D2和D3导通，逆变输 出电流下降到零。可见在PWM硬开关的工作方式下，开关 管是零电流开通，但是在峰值电流的情况下关断。开关管 在大电流的条件下关断，关断损耗大，而且会在开关管上 产生较大的尖刺。时区时间结束后，Ts／2时刻，S2和S3 的驱动脉冲到来，电感又开始被充电，情况同上面的分析， 不再赘述。
PWMDCDC全桥变换器的软开关技术
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
u t t
u i 0 P 0
u
i t t
u i 0 P 0
i
a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
图6－2 软开关的开关过程
DC/DC全桥变换器
DC/DC全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波 电路构成:
DC/DC全桥变换器--全桥逆变器及其控制
Q1~Q4，D1~D4 Tr K=N1/N2
控制方式: 双极性 有限双极性 移相控制方式
关断时间错开切换放式—滞后桥臂的软开关实现
PWM DC/DC全桥变换器软开关的实现原则
PWM DC/DC全桥变换器的两类软开关方式
小结
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
• 前面讨论了滞后桥臂的零电压关断,即电容的存在可以实现零电 压关断,现在关心的是开关管开通的情况. • 下面先讨断切换方式
Q1,Q4关断,原边电流给C 1和C4充电,同时C2和C3 放电,限制Q1,Q4的电压 上升率,实现软关断。 当C1和C4电压上升到Vin 时,C2和C3电压下降到零 .此时D2,D3导通,为Q2， Q3提供零电压开通的条 件。 但是此时如果开通Q2和Q 3，在AB两点 出现的就 是占空比为1的交流方波 电压
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
软开关半桥DC-DC变换器的PWM控制
软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制
引言
半桥DC/DC变换器结构简单，控制方便，非常适用于中小功率场合。
硬开关变换器高频时开关损耗很大，严重影响其效率。
软开关技术可降低开关损耗和线路的EMI，提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器体积和重量。
传统半桥变换器有两种控制方法，一种是对称控制，一种是不对称互补控制。
本文主要分析实现半桥DC/DC变换器软开关的PWM控制策略。
1 控制型软开关PWM 控制策略
控制型软开关半桥DC/DC变换器不增加主电路元器件(可增加电感电容元件以实现软开关条件)，通过合理设计控制电路来实现软开关。
图1给出4种控制型软开关半桥DC/DC变换器的PWM 控制策略。
移相全桥零电压PWM软开关电路的研究
略大于开关管自身的寄生电容可减小管子之间的差
异。 实际中，可根据实验波形对其进行调整。 计算得
Llk=7.2 μH，实际取10～20 μH。 由于 要 兼 顾 轻 载 和 重 载，同 时 电 感 在 超 前 臂 谐 振 和 续 流 时 有 能 量 损 失 ，故
实际中取值较计算值略大为宜。
5 整机最大占空比合理性计算
第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
移相全桥零电压 PWM 软开关电路的研究
胡红林， 李春华， 邵 波 （黑龙江科技学院， 黑龙江 哈尔滨 150027）
Vol.43 No.1 January，2009
摘要:介绍了移相全桥零电压 PWM 软开关电路的组成及工作原理，从时域上详细分析了软开关的工作过程，阐述了
在开关电源中具有谐振开关和 PWM 控制特点 的移相全桥零 电 压 PWM 变 换 器 得 到 了 广 泛 应 用 ， 该 类 变 换 器 实 现 了 零 电 压 开 关 （ZVS），减 小 了 开 关 损耗，提高了电源系统的稳定性。 同时，电源可在较 高的开关频率下工作，因而大大减小了无源器件的 体积。 但移相全桥 ZVS 电路存在对谐振电感和电容 的合理选择及占空比丢失的问题，这就要求 ZVS 软 开关有一个合理的最大占空比。
实现 VQ1 零电压关断需要有：
uC1=
iCb 2C1
td1=
is 2nC1
td1≥Uin
（6）
式中：td1 为 VQ1，VQ3 死区时间；n 为变比。
要在全范围内实现超前臂的零电压开通， 必须
以 最 小 输 出 电 流 Iomin 和 最 大 输 入 电 压 Uinmax 来 选 取 C1，C3，即 C1=C3≤Iomintd1/（2nUinmax）。 4.2 串联电感的取值及滞后臂并联电容的选取
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。
如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。
主电路分析这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。
采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。
电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。
图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。
通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。
由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。
当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。
PWM软开关技术简介
1．引言将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。
在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。
目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。
全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷：全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。
副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。
在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。
滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。
另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。
因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。
2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种：变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。
变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。
利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。
除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。
上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。
为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。
几种典型的软开关电路分享
几种典型的软开关电路分享目前（电力电子）设备的发展趋势都是小型化，同时对装置的效率和（电磁兼容）性有着很高的要求。
设备向着高频化的方向发展，这样可以减小（滤波器）、变压器等器件的体积和重量，实现小型化和轻重化; 但是高频化带来了开关损耗增大、效率下降和电磁干扰增大等影响。
这就引出了我们今天要讨论的（话题）——软开关技术：降低开关损耗和开关噪声; 大幅度提高开关频率。
1软开关基本概念聊软开关之前，我们先说一下硬开关(嗯，不能太"硬"，哈哈)硬开关开关过程中电压、（电流）均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗; 电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。
开关损耗(Eon+Eoff)与开关频率fsw之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。
以降压型电路为例，了解一下硬开关：理想化波形针对开通和关断过程的波形说明如下：关断过程开通过程软开关软（开关电路）中增加了谐振电感Lr 和谐振（电容）Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联（二极管）VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。
我们还以降压型电路为例，来了解一下软开关：降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。
关断过程开通过程零电压开关和零电流开关零电压开通：开关开通前其两端电压为零，则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，则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。
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U0 LS
t
t t t0
（6-3）
t01
t1
t0
LS I0 U0
（6-5）
（3）LS与CS谐振区（时区c）——CS放电区
等效电路中电量按实际方向标出。 按参考方向列方程有：
■软开关技术——又称谐振开关技术，它利用以谐振为主的 辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题， 使开关频率可以大幅度提高。
■软开关技术是电力电子装置高频化重要而有效的途径之一。
6.1 概述
6.1.1 硬开关与软开关 6.1.2 零电压开关与零电流开关 6.1.3 软PWM开关电路的分类 6.1.4 PWM软开关电路存在的问题
7
6.1.2 零电压开关与零电流开关
◆零电流开关（Zero-current-switching, ZCS）——谐振电 感Lr与功率开关S相串联。在S开通之前，Lr的电流为零；当 S开通时，Lr限制S中电流的上升率，从而实现S的零电流开 通；而当S关断时，Lr和Cr谐振工作使Lr的电流回到零，从 而实现S的零电流关断。Lr和Cr为S提供了零电流开关的条件。
4
6.1.1 硬开关与软开关
■软开关
◆软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、 电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，
而硬开关电路中不需要这个二极管。 ◆在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断
前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减 小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流 的变化率，这使得开关噪声也显著减小。
图6-2 ZVS-PWM-Boost电路 a)主电路结构 b)～f)电量波形 g)时区编号
6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路
1、电路工作原理分析
（1）电路初态（时区a） ——VD0稳定导通区
（2）VD0与VG2换流区（时区b） uLr=Uo，iL按线性迅速增长，
iD以同样的速率下降，直到t1时 刻，iLr=I0，iD下降到零， VD0自 然关断。
第6章 PWM软开关电路
6.1 概述 6.2 缓冲型PWM软开关电路
1
6.1 概述
■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装 置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。
■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置 小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。
5
6.1.1 硬开关与软开关
■软开关
◆零电压开通——零电压开关 开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。 ◆零电流关断——零电流开关 开关关断前其电流为零，则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。 ◆在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。
对软开关电路的效率和EMI水平进行比较实验研究的结果表明， 软开关电路的实际效率和EMI水平与期望值差别较大，原因是主电路 器件由于软开关所减少的开关损耗中，一部分被附加电路产生的各 种损耗所抵消；与此相仿，尽管主电路器件的电压和电流变化率都 明显下降，与之对应的EMI也相应减低，但由于附加电路的谐振频率 远高于PWM的载波频率，因此附加电路会产生大量的噪声，这一点在 以往工作中常被忽视。
8
6.1.3 软PWM开关电路的分类
■软PWM开关电路是具有ZVS/ZCS环境的PWM电路的简称。 ■软PWM开关电路的分类
◆缓冲型电路——在电路中附加无源或有源低耗型 缓冲电路，从而改变器件开关轨迹并实现ZVS/ZCS。
◆控制型电路——主要依靠合理安排控制极脉冲的 时序促使电路具有ZVS/ZCS环境。
10
6.2 缓冲型PWM软开关电路
6.2.1 缓冲型PWM软开关电路的分类 6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路 6.2.3 单相式缓冲型软PWM电路 *6.2.4 集中式缓冲型软PWM电路
11
6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路
◆具有电路简单、效率高等优点， 广泛用于功率因数校正电路（PFC）、 DC-DC变换器、斩波器等。 ◆以升压电路为例，在分析中假设 电感Ld、电容Co很大，可以忽略电 流和输出电压的波动，在分析中还 忽略元件与线路中的损耗。 ◆缓冲电路包含两部分 （1）Cs构成的强行无源关断缓冲电 路，使VG1和VD0具有ZVOFF环境。 （2）由VG2、VDS1、VDS2、Ls和Cs构成 的有源开通缓冲电路，为VG1和VD0 营造ZVON环境。
◆直流谐振型电路——附加钳位电路将直流电压改 造成高频脉冲列并使器件的开关状态仅在直流电压的零 压期进行更迭，从而实现ZVS。
9
6.1.4 PWM软开关电路存在的问题
1.可靠性 为实现软开关，目前的普遍做法是在电路中附加无源或有源电
路，而这些电路无论从结构和原理都与SCR电路中的辅助换流电路十 分相似，这自然增加电路的复杂程度，并将全控型电路无换流电路 的优点完全断丧，从而降低系统的可靠性。 2.效率和EMI问题
6
6.1.2 零电压开关与零电流开关
◆零电压开关（Zero-voltage-switching, ZVS） ——谐 振电容Cr与功率开关S相并联。在S导通时，Cr上的电压 为零；当S关断时，Cr限制S上电压的上升率，从而实现S 的零电压关断；而当S开通时，Lr和Cr谐振工作使Cr的电 压回到零，从而实现S的零电压开通。Lr和Cr为S提供了 零电压开关的条件。
id I0 iC iL
3
6.1.1 硬开关与软开关
■硬开关 ◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损
耗。 ◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生
了开关噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率
不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高， 开关损耗就越来越显著。