基于準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)的高頻開關(guān)電源變換器

摘要：傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源變換電路采用硬開關(guān)技術(shù)，電路功耗大，承受電壓、電流應(yīng)力高。為了克服硬開關(guān)技術(shù)中開關(guān)管在有電流通過的情況下被強(qiáng)制關(guān)斷，有電壓情況下被強(qiáng)制導(dǎo)通而帶來的各種不利因素，采用準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)技術(shù)，即零電流開關(guān)(ZCS)準(zhǔn)諧振變換器、零電壓開關(guān)(ZVS)準(zhǔn)諧振變換器，由電感、電容組成諧振回路，利用電感、電容之間的能量交換，使主開關(guān)管在零電壓下導(dǎo)通或零電流下截止，達(dá)到了減少開關(guān)損耗及電磁干擾的目的。軟開關(guān)技術(shù)在新型開關(guān)電源中廣泛采用。
關(guān)鍵詞：硬開關(guān)；軟開關(guān)；零電流；零電壓；準(zhǔn)諧振

在高頻開關(guān)電源的DC-DC變換電路中，功率開關(guān)管在控制信號強(qiáng)制控制下，有電壓時(shí)被開通，有電流時(shí)被關(guān)斷，這種工作方式稱為硬開關(guān)。傳統(tǒng)的PWM開關(guān)方式屬于硬開關(guān)技術(shù)，它的缺點(diǎn)顯而易見。
(1)開關(guān)管無論在導(dǎo)通或截止時(shí)，電壓和電流均不為零，功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)管存在功耗，且開關(guān)頻率越高，功耗愈大。
(2)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電路中的感性元件和容性元件會(huì)產(chǎn)生幅值很高的尖峰電壓和尖峰電流，對開關(guān)器件造成危害，且開關(guān)頻率越高，損害越大。
(3)隨著工作頻率的增高，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對自身電路及電網(wǎng)和周邊電子設(shè)備造成影響。
理想的關(guān)斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，關(guān)斷損耗近似為零。因?yàn)楣β书_關(guān)管關(guān)斷之前，電流已下降到零，這就解決了感性關(guān)斷尖峰電壓問題，而理想的導(dǎo)通過程是電壓已先降到零，電流再緩慢升到斷態(tài)值，導(dǎo)通損耗近似為零。功率開關(guān)管結(jié)電容上的電壓也為零，解決了容性導(dǎo)通尖峰電流問題。為了解決硬開關(guān)方式帶來的各種不利因素，采用了多種措施。其中，準(zhǔn)諧振型開關(guān)方式屬于軟開關(guān)方式，利用諧振技術(shù)，使功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓或零電流的導(dǎo)通和截止，基本消除開關(guān)損耗。諧振型開關(guān)方式可分為零電流開關(guān)型(ZCS)和零電壓開關(guān)型(ZVS)；按控制方式分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖相移控制(PS)。實(shí)際應(yīng)用中，PWM軟開關(guān)變換器多用于小功率DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源，PS軟開關(guān)變換器則用于中大功率DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源中。
下面介紹幾種常見的軟開關(guān)變換器。

1 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器
圖1是零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZCS-QRC)基本電路。諧振電容C與整流二極管D并聯(lián)，諧振電感與有源開關(guān)(晶體管或MOS管)S串聯(lián)。S在零電流時(shí)接通和關(guān)斷，而D在零電壓時(shí)接通和關(guān)斷。由于L和C諧振，通過S的電流發(fā)生振蕩并歸零，這就導(dǎo)致了自然換向。該電路特點(diǎn)是減少了關(guān)斷時(shí)的損耗，但存在電容在接通時(shí)的損耗，電容儲(chǔ)存的能量在S管導(dǎo)通時(shí)消耗在S管內(nèi)，且與S管開關(guān)頻率成正比。

2 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器
圖2是零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZVS-QRC)基本電路。諧振電容C與有源開關(guān)器件S并聯(lián)，諧振電感L與D串聯(lián)，S剛關(guān)斷時(shí)，電容C上的電壓逐漸上升，并與電感L產(chǎn)生諧振，因此S是在零電壓時(shí)接通和關(guān)斷，而整流二極管D是在零電流時(shí)接通和關(guān)斷。該電路特點(diǎn)是開關(guān)器件的電壓被整形成準(zhǔn)正弦波，為開關(guān)接通創(chuàng)造零電壓條件，減少了接通時(shí)的損耗。存在的問題是開關(guān)管還存在過剩的電壓應(yīng)力，這種應(yīng)力與負(fù)載大小成正比，此外整流二極管結(jié)電容與諧振電感引起的諧振會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。