基于准谐振型软开关的高频开关电源变换器

摘要：传统高频开关电源变换电路采用硬开关技术，电路功耗大，承受电压、电流应力高。为了克服硬开关技术中开关管在有电流通过的情况下被强制关断，有电压情况下被强制导通而带来的各种不利因素，采用准谐振型软开关技术，即零电流开关(ZCS)准谐振变换器、零电压开关(ZVS)准谐振变换器，由电感、电容组成谐振回路，利用电感、电容之间的能量交换，使主开关管在零电压下导通或零电流下截止，达到了减少开关损耗及电磁干扰的目的。软开关技术在新型开关电源中广泛采用。
关键词：硬开关；软开关；零电流；零电压；准谐振

    在高频开关电源的DC-DC变换电路中，功率开关管在控制信号强制控制下，有电压时被开通，有电流时被关断，这种工作方式称为硬开关。传统的PWM开关方式属于硬开关技术，它的缺点显而易见。
    (1)开关管无论在导通或截止时，电压和电流均不为零，功率器件承受的电压、电流应力大，开关管存在功耗，且开关频率越高，功耗愈大。
    (2)开关管关断时，电路中的感性元件和容性元件会产生幅值很高的尖峰电压和尖峰电流，对开关器件造成危害，且开关频率越高，损害越大。
    (3)随着工作频率的增高，会产生严重的电磁干扰，对自身电路及电网和周边电子设备造成影响。
    理想的关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。因为功率开关管关断之前，电流已下降到零，这就解决了感性关断尖峰电压问题，而理想的导通过程是电压已先降到零，电流再缓慢升到断态值，导通损耗近似为零。功率开关管结电容上的电压也为零，解决了容性导通尖峰电流问题。为了解决硬开关方式带来的各种不利因素，采用了多种措施。其中，准谐振型开关方式属于软开关方式，利用谐振技术，使功率开关管实现了零电压或零电流的导通和截止，基本消除开关损耗。谐振型开关方式可分为零电流开关型(ZCS)和零电压开关型(ZVS)；按控制方式分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲相移控制(PS)。实际应用中，PWM软开关变换器多用于小功率DC-DC开关稳压电源，PS软开关变换器则用于中大功率DC-DC开关稳压电源中。
    下面介绍几种常见的软开关变换器。

1 零电流开关准谐振变换器
    图1是零电流开关准谐振变换器(ZCS-QRC)基本电路。谐振电容C与整流二极管D并联，谐振电感与有源开关(晶体管或MOS管)S串联。S在零电流时接通和关断，而D在零电压时接通和关断。由于L和C谐振，通过S的电流发生振荡并归零，这就导致了自然换向。该电路特点是减少了关断时的损耗，但存在电容在接通时的损耗，电容储存的能量在S管导通时消耗在S管内，且与S管开关频率成正比。

2 零电压开关准谐振变换器
    图2是零电压开关准谐振变换器(ZVS-QRC)基本电路。谐振电容C与有源开关器件S并联，谐振电感L与D串联，S刚关断时，电容C上的电压逐渐上升，并与电感L产生谐振，因此S是在零电压时接通和关断，而整流二极管D是在零电流时接通和关断。该电路特点是开关器件的电压被整形成准正弦波，为开关接通创造零电压条件，减少了接通时的损耗。存在的问题是开关管还存在过剩的电压应力，这种应力与负载大小成正比，此外整流二极管结电容与谐振电感引起的谐振会产生电磁干扰。

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3 零电压开关多谐振变换器
    图3是零电压开关多谐振变换器基本电路。谐振电容C同时与开关管和二极管并联，这样S和D都可以在零电压进行转换，这个电路的好处是多谐振电路把开关管输出电容、二极管结电容、变压器漏感等寄生参量吸收到谐振电路中，极大降低了开关损耗和噪声。该电路的缺点是开关管、整流二极管承受较大的电压和电流。

4 软开关脉冲宽度调制器
    软开关脉冲宽度调制器是由软开关脉冲宽度调制器ZVS(或ZCS)-QRC与PWM控制的无隔离变压器式功率变换器组合而成的。图4中，当有源开关器件S与有源辅助开关器件S1同时接通时，C和L构成准谐振，当S接通，S1关断时，电感L续流。这样，在一个周期内，一段时间工作在准谐振状态，另一段时间工作在PWM状态。该电路特点是主开关S承受电流(或电压)应力小，所以使用性能较上述电路好。

5 PS软开关变换器
    PS软开关变换器也称脉冲移相控制变换器，常用在大、中功率开关电源中，是实现高频化的理想拓扑之一。大功率移相控制桥式变换器由4个功率开关器件组成全桥电路的桥臂，每个开关管导通时间固定不变，同一桥臂的两只开关管相位相差180°，这样只有相对的2只开关管都导通，变换器才有功率输出。该电路利用功率开关管输出电容(C1～C4)和输出变压器的漏电感(L)作为谐振元件，使变换器的4个开关管依次在零电压下导通，实现软开关控制。

6 结语
    高频开关电源大量应用于各种用电设备，传统的功率变换器采用硬开关技术，其缺点显而易见。软开关变换器技术有多种设计方式，目的是最大程度地解决硬开关技术缺陷，它是一种行之有效的电路。