电源技术辅导资料六
电源技术辅导资料六主 题：第三章 第四节 “软开关技术”
学习时间：2010年11月22日－11月28日
内 容：
我们这周主要学习第三章第四节“软开关技术”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对软开关技术的了解。
一、学习要求
1．了解软开关和硬开关的概念；
2．掌握零电压开关和零电流开关；
3. 了解软开关电路的分类
4. 掌握典型的软开关电路
二、主要内容
1．软开关和硬开关
对于变压器而言，在电压和电流不变的条件下，变压器的绕组匝数与工作频率成反比，频率越高，一次和二次的匝数越少，所需的磁心窗口面积越小，从而可以选用较小的铁心。因此，通过提高工作频率可以使变压器的体积和重量显著降低。所以开关电源的小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率。在提高开关频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大，所以简单地提高开关频率是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它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） 硬开关
A. 开关器件是在高电压或大电流条件下，由栅极(或基极)控制开通或关断的。典型的开通与关断过程如图所示，开关过程中电压、电流均不为零，有重叠，瞬时功率：p(t)=us(t)is(t) ；瞬时功率比通态和断态消耗功率大成百上千倍，平均功率是通态的几分之一到数十倍。
B. 在开关过程中，不仅存在开关损耗，而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡，导致了开关噪声的产生。开关损耗会使元器件发热、电路效率降低；开关噪声会干扰自身电路和周边仪器正常工作。
（2） 软开关
在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。
降低开关损耗和开关噪声。
2. 零电压开关和零电流开关
零电压开通：开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。
零电流关断：开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。
零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。
零电流开通：与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。
3.软开关电路的分类
根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。
根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
基本开关单元的概念
分别介绍三类软开关电路
A.准谐振电路
准谐振电路——准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。
准谐振电路分为：
零电压开关准谐振电路
零电流开关准谐振电路
电压开关多谐振电路
B.零开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。
分类：
零电压开关PWM电路：
零电流开关PWM电路：
C.零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。
分类：
零电压转换PWM电路：
零电流转换PWM电路：
4.典型的软开关电路
（1）零电压开关准谐振电路
A.电路结构
以降压型为例分析工作原理。
假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
零电压开关准谐振电路原理图
B.工作原理
零电压开关准谐振电路原理图 零电压开关准谐振电路的理想波形
t0—t1时段：t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电， uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通。
t1—t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。
t2—t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。
t3—t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。
t4—t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。
t5—t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。
t6—t0时段：S为通态，VD为断态。
缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。
（2）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，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。
移相全桥零电压开关PWM电路
移相全桥电路的理想化波形
A. 控制方式的特点
在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；
同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。
互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2时间，而S2的波形比S3超前0~TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。
B. 工作过程
t0—t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。
t1—t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路， uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。
t2—t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。
t3—t4时段：t3时刻开关 S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。
t4—t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。
t0—t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。
（3）零电压PWM电路
零电压转换PWM电路具有电路简单 、效率高等优点。
升压型零电压转换PWM电路的原理图 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
工作过程：
辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。
t0—t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长， VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。
t1—t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0， VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。
t2—t3时段：uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。
三、重要考点
（一）选择题
1. 开关开通前其两端电压为零从而使得开通时不会产生损耗和噪声的开关方式为（）。
A. 零电压开通 B. 零电流关断C. 零电压关断D. 零电流开通
答案：A
（二）判断题
1. 零开关PWM电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。 （正确）
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