基于準諧振型軟開關的高頻開關電源變換器

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

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

1 零電流開關準諧振變換器
圖1是零電流開關準諧振變換器(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(晶體管或MOS管)S串聯(lián)。S在零電流時接通和關斷，而D在零電壓時接通和關斷。由于L和C諧振，通過S的電流發(fā)生振蕩并歸零，這就導致了自然換向。該電路特點是減少了關斷時的損耗，但存在電容在接通時的損耗，電容儲存的能量在S管導通時消耗在S管內(nèi)，且與S管開關頻率成正比。

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