开关电源中软开关技术应用探析

电磁兼容性也提出了很高的要求。使用软开关技术，主要解决电路中 的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。
1 软开关技术 所谓软开关技术，指的是电压为零时开关管导通，电流为零时开 关管关断。通常，把开关元件上的电压波形为正弦波的称为电压谐振开 关电路，其以零电压开关 ZVS （Zero Voltage Switching） 方式工作。 而把流过开关的电流波形为正弦波形的称为电流谐振开关电路，其以零 电流开关 ZCS （ZeroCurrentSwitching） 方式工作。 2 软开关电路的分类 2.1 准谐振开关电路及其意义 图 1 的 a、b 分别为 ZCS 和 ZVS 谐振开关示意图。图中 Lr 为谐振 电感，Cr 为谐振电容，VT 为开关功率管。
图4
2.5 ZVT-PWM 转换电路 ZVT-PWM 转换电路与 ZCS-PWM 开关电路的工作原理、运行 模式比较相似，不同的是主开关与谐振网络并联，而 ZCS-PWM 开关 电路是主开关与谐振电容并联。如图 5。
图2
2.3 ZVS-PWM 开关电路 图 3 是 ZVS-PWM 开关电路原理图。
60 2012 年 5 月（ 下 ）
开关电源中软开关技术应用探析
谭卓彬
（江门市新会区体育中心，广东江门 529100）
[摘 要] 软开关技术是今后技术发展的方向，软开关的应用是个重要课题。本文着重介绍谐振开关电路、ZCS/ZVS/ZCT/ZVT-PWM 电 路、移相全桥电路、有源钳位电路、移相全桥 ZVS-PWM 电路、不对称半桥型电路和 PWM 三电平直流开关电路等软开关技术的核心电路 的概念、结构和分类，并对软开关技术的电路、工作特性和应用等的分析。 [关键词] 开关电源；软开关；分析设计
图5
ZCT-PWM 或 ZVT-PWM 转换电路能使主开关管在关闭或导通 时恒频运行，电路运行时的电流 （电压） 应力小，能够适应负载和输入 电压在较大范围内变化。而且工作电流和损耗都很少，不影响电路的工 作效率。
这一类软开关电路经常被用于功率因数校正 （Power Factor
应用科技
Correction，PFC） 装置。 2.6 直流 / 直流零电压开关脉宽调制转换电路 2.6.1 DC/DC 有源钳位正激式转换电路 DC/DC 有源钳位 （Active Clamp） ZVS-PWM 技术已在正激式、
图3
ZVS-PWM 开关电路与 ZCS-PWM 开关电路一样，具有功耗 低、效率高、工作频率高等许多优点。但主开关 VT1 的漏—源极电压在 关断时几乎是输入电压的 2 倍，这种电压应力对 ZVS-PWM 开关电路 很不利。所以，在 ZVS-PWM 开关电路上应该选用耐压很高的开关功 率管。
2.4 ZCT-PWM 转换电路 图 4 是 ZCT-PWM 转换电路原理图。ZCT-PWM 转换电路只要 将正激式、反激式 PWM 变换电路中的一个 PWM 开关用 ZCT-PWM 开关代替，即可改变成零电流转换电路的电路模式，电路改装极为方 便。
图6
2.6.2DC/DC 有源钳位反激式转换电路 有源钳位反激式转换电路比 SRC、SRD、ST 等的钳位性能优越得 多：钳位方式好，钳位电压稳定，钳位元器件损耗低。如图 7。
图7
2.7 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： 电路结构简单，每一个开关导通和关断的时间固定不变。如图 8。
图8
2.8 不对称半桥型电路 不对称半桥型电路的结构见图 9。该电路主电路结构与普通半桥电 路相同，不同的是一次侧开关管的控制方式。避免了普通半桥在两开关 管均处于关断状态时变压器漏感所引起的电压振荡问题，与移相全桥电 路相比，有高电压输入时，不存在的环流电流产生的损耗。
图 10
3 软开关存在的问题 3.1 磁性元器件的多功能化 首先，由于软开关的 L 要流过高频电流且大振幅工作，因此有高 频损耗从而发热；为了消除铁损耗而采用空心线圈电感使得线圈变大； 由于集肤效应、邻近效应的作用增加了阻性损耗。 另一方面，转换电路中通常采用变压器，有效利用变压器的漏感 或励磁电感作为软开关的 L 和 C。这样，变压器具有多种功能。 再者，使用磁性元器件时，为了减少体积，重要的是要除去直流 偏磁，采用有源钳位电路可由谐振电容使变压器磁复位。因此，对于软 开关的实用化，关键是磁性元器件的配合。 3.2 逆变器中软开关的应用 逆变器是一种直流—交流转换电路。 在高频加热、金属熔解炉、非接触式能量转换中，主要是利用高 频交流电压或电流。为了降低损耗和抑制浪涌，逆变器都应用了软开关 技术。 在用太阳能电池、燃料电池、UPS 等高品质电源的直流输电系统 中，一般是高频逆变器对直流电压进行 PWM 控制，再通过低通滤波 器得到正弦电压。因此逆变器中可考虑应用软开关。 在电动机控制中采用传感器方式时，用传感器检测电流与转角等 微变量，快速计算出转矩等参数，对磁通与电流进行正交控制。因此， 在电动机驱动中，今后也需要应用软开关技术。 4 结语 通过以上对开关电源软开关核心技术的分析研究，我们日后在使 用和设计开关电源时，能够充分利用软开关技术进行技术攻关。为设计 出体积小重量轻、使用时间长、抗干扰、兼容性好、效率高、损耗低、 安全运行、用途广的新一代环保节能型开关电源打下良好的理论基础。
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[参考文献]
[1] 何希才.稳压电源电路的设计与应用.北京:中国电力出版社,2006.
[2] 裴云庆,杨旭,王兆安.开关稳压电源的设计和应用.北京:机械工业出版社, 2010. [3] 赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用.北京:机械工业出版社,2009.
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开关电源中软开关技术应用探析
图9
不对称半桥电路由于电路简单，所用器件少，在小功率电源中有 较多的应用。
2.9 软开关 PWM 三电平直流转换电路 当 DC-DC 转换电路的输入电压上升时，主电路所使用的器件耐 压也需要随之提高，但高耐压的开关器件的特性通常不够理想。例如， 高耐压的 IGBT 开关特性较差，高耐压的 MOSFET 的导通电阻显著增
Modulation，脉宽调制） 变换电路比较起来，控制稍为复杂，但损耗
为零效率最高，这就是准谐振变换电路的意义。
2.2 ZCS-PWM 开关电路
图 2 是 ZCS-PWM 开关电路原理图。VT1 是该开关电路的主开 关，VT2 是辅助开关，Cr 是与辅助开关相串联的电容，Lr 是谐振电感， Lf、Cf 分别是输出滤波电感和滤波电容，Lp、Cp 是串联谐振电路。
（a） ZCS 谐振开关
（b） ZVS 谐振开关
图1
电子开关具有零电压导通、零电流关断的条件，这种变换电路称
为准谐振变换电路 （QRC，Quasi-ResonantConverter）。QRC 软开
关的输出电压与频率有关 （频率越高、输出电压越大），而与占空比无
关 ，所 以 说 QRC 是 一 种 变 频 电 源 。它 与 PWM （Pulse Width
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谭卓彬 江门市新会区体育中心,广东江门529100
科技风 Technology Wind 2012(10)
参考文献(3条) 1.何希才 稳压电源电路的设计与应用 2006 2.裴云庆;杨旭;王兆安 开关稳压电源的设计和应用 2010 3.赵同贺 新型开关电源典型电路设计与应用 2009
反激式、推挽式变换电路等多种电路中获得应用。因为有源钳位能使高 频变压器磁心的磁通自动复位，避免磁饱和，以提高磁心的利用率。图 6 是 DC/DC 有源钳位正激式变换电路原理图。与无源钳位电路相比， 电路效率可以提高到 95%。
加。而软开关三电平转换电路，使开关管的电压应力降为输入电压的一 半。三电平直流转换电路在拓扑结构上可分为半桥拓扑及全桥拓扑，两 者的工作原理相似；在软开关方式上与移相全桥拓扑类似，图 10 为 ZVS 半桥软开关三电平直流转换电路的拓扑结构。