理想的软开关过程为什么可以让开关损耗近似为零

软开关(Soft-Switching)是相对硬开关(Hard-Switching)而言的。软开关是使用软开关技术的开关过程。理想的软开关过程是电流或电压先降到零，电压或电流再缓慢上升到断态值，所以开关损耗近似为零。软开关能够实现功率变换器件的高频化。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，同时开关增加了反并联二极管，而硬开关电路中不需要这个二极管。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，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小。

软开关(Soft-Switching)是相对硬开关(Hard-Switching)而言的。通过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，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗。同时的，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。这样的电路被称为软开关电路，而这样的开关过程也被称为软开关(Soft-Switching)。理想的软关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题不存在。

软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。现实中的软开关可见于照明回路，对于一盏灯开启时由不亮到微亮再到全亮逐渐地缓慢地完成，关闭过程则相反。软开关的引入可以避免灯光突然变化给人眼造成的刺激，特别在全黑暗的情况下更为重要。现实中软开关的实现方式有：对于白炽灯等电阻性负载常常使用可控硅调节导通角的方式来实现当开启灯光时导通角由0到180度渐变，当灯光关闭时导通角则反过来由180度渐变，这样便实现了软开关的开启和关闭。对于荧光灯类负载则通过调节占空比的方式来实现。

现代开关电源发展的一个重要方向是开关的高频化，因为高频化可以使开关变换器的体积、重量大大减小，从而提高变换器的功率密度。提高开关频率可以降低开关电源的音频噪声，改善动态响应。实现高频化，必须降低开关损耗，软开关技术是减少开关损耗的重要方法之一。软开关是指零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)或零电流开关(Zero Current Switching,ZCS)。它应用谐振的原理使开关变换器中开关管的电压或电流按正弦或准正弦规律变化，当电压自然过零时，使器件开通;当电流自然过零时，使器件关断，实现开关损耗为零，从而可以使开关频率提高。

反激变换器在低功率场合应用十分广泛，但是，由于开关管存在容性开通损耗，限制了开关频率的提高。原理上有很多种方法可实现软开关，但是大多数开关要承受很高的电压应力，因此不适合用于输入电压比较高的场合。由反激变换器的工作原理可知，当电感电流工作在断续工作模式(DCM)下，在电感电流减小到零以后，开关两端电容与变压器原边电感产生谐振。早期的开关电源通过强制开通或关闭激励管的方式工作，其开关噪声和开关损耗大，工作效率难以进一步提高。软开关技术则利用LC谐振来调整开关时刻的电流或电压值，以达到开关损耗最小的目的，在开关噪声和工作效率方面都优于硬开关电源。因此，谐振式开关电源将得到快速发展。实现软开关工作的芯片有多种型号，且工作原理各不相同。例如准谐振反向控制器UCC28600芯片，以反激励电压下降至最低值后开通激励管、激励电流达到峰值或定时关闭激励管的方式工作，单极性输出，其开关频率随输出功率而变化，一般用于小功率电源;谐振模式控制器UCC25600是基本固定谐振频率，利用反馈自动调节开关频率，使电路在谐振与失谐之间调整，改变有效激励功率，双极性输出，一般用于100 W～1 kW的电源。

软开关电源的核心理念在于在开关过程中实现电压或电流的零化，从而显著降低开关损耗。具体来说，当功率MOS开关从关闭过渡到导通，或从导通过渡到关闭时，通过巧妙控制Vds电压或Ids电流，使其在功率MOS完全开通或关闭之前降为零，便能实现软开关。为了更直观地理解软开关电源，我们可以将其视为在开关过程中实现零电压或零电流切换的电源。这类拓扑不仅有效降低了高频开关损耗，还推动了电源模块向更高频、更小型、更高效的方向发展。软开关电源的种类繁多，包括全谐振变化器、准谐振变化器、多谐振变换器等。然而，在实际工业应用中，常用的软开关电源拓扑主要包括QR反激准谐振电源拓扑、有源钳位正激电源拓扑、LLC半桥拓扑以及移向全桥拓扑等。这些拓扑各具特色，但共同的目标都是为了优化电源性能，提升效率。谐振变换器的控制方式通常采用PFM控制，其频率特性与输出负载密切相关。当负载变重时，频率会相应升高;而负载变轻时，频率则降低。

谐振变换器可根据谐振元器件在能量转换过程中的作用，分为准谐振变换器、多谐振变换器以及全谐振变换器。这些变换器的共同特点是利用谐振原理，使功率器件的电压或电流呈现正弦波或准正弦波的变化。在电压或电流为零的时刻，器件得以开通或关闭，从而极大降低了功率器件在开通和关闭过程中的损耗。此外，根据谐振元器件的连接方式，谐振变换器又可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器。有源钳位吸收电路的引入，能有效抑制开关器件的瞬变电压或电流，进一步降低开关管的电压应力和电流应力，显著减少开关损耗。同时，该电路还能将吸收的能量反馈至电网中，提高电源的转换效率。

在实际应用中，准谐振反激变换器常采用的芯片是NCP1307，串联谐振LLC变换器则多选用L6562+L6599或NCP1393方案，移向全桥变换器的控制芯片普遍采用UC3875，而有源钳位电路则常选用MA3410芯片。以常规反激式开关电源为例，其电路拓扑虽然简单，但功率MOS的开关损耗却不容忽视。相比之下，准谐振反激电源通过巧妙利用谐振原理，能在最低点开通功率MOS，从而大幅降低开通损耗。准谐振电源的谐振过程与常规谐振电源有所不同，它仅在开关转换时参与谐振，通过谐振使开关管在零电压(或最小电压)时完成开关转换，进一步优化了电源性能。