1.3 软开关变换器

1.3.1 硬开关与开关损耗

20世纪60年代开始得到发展和应用的PWM开关变换技术是一种“硬开关”技术。凡是利用脉宽调制方法控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器，PWM开关变换器的主要特征是采用“硬开关”技术。所谓“硬开关”是指功率开关管的导通、截止是在开关管的电压或电流不为零的情况下进行的，即强迫功率开关管在其电压不为零时导通，或在电流不为零时关断。

在“硬开关”的开关过程中，功率开关管上的电压和电流的变化有一个过渡过程。当功率开关管导通时，功率开关管中的电流由零逐步上升，电压则逐步下降，功率开关管上的电流上升和电压下降有一个交叠过程，使功率开关管导通过程中有功率损耗（称做导通损耗）。同理，当功率开关管关断时，功率开关管上的电流下降和电压上升也有一个交叠过程，使功率开关管在关断过程中也有功率损耗（称做关断损耗）。显然，开关频率越高，功率开关管的导通、关断时间越长，则功率开关管的开关损耗（即导通、关断损耗）越大，如图1-5所示。

所以，采用“硬开关”技术的PWM开关电源，开关频率不宜太高，否则开关损耗太大，开关变换器的效率将大为降低。20世纪60～70年代广泛应用的是双极型功率晶体管，开关频率仅限于20kHz，80年代采用功率MOSFET管后，PWM开关变换器的开关频率最高可达250～350kHz。在硬开关工作方式下，不断提高开关变换器的工作频率会引起以下问题。

（1）开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速加大。

（2）感性关断尖峰电压大。当开关器件关断时、电路中的感性元件感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，该感应尖峰电压越高。此电压加在开关器件两端，易造成开关器件击穿。

（3）开关器件的容性开通尖峰电流大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在开关器件内。频率越高，开通尖峰电流越大，从而会引起开关器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关器件在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。开关频率越高，该冲击电流越大，对开关器件的安全运行造成危害。

（4）电磁干扰严重。随着开关工作频率提高，电路中的di/dt和du/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响开关电源和周围电子设备的正常工作。

上述问题严重妨碍了开关电源工作频率的提高。软开关技术的推出为克服上述缺陷提供了一条有效途径。和硬开关工作方式不同，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。由于开关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后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，开关器件结电容上的电压亦为零，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亦不存在，而开关过程di/dt和du/dt的降低使EMI问题也得以解决。

1.3.2 软开关技术

为了使开关电源能够在高频下高工作效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自20世纪70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。

提高开关频率是开关变换技术的重要发展方向之一。其原因是高频化可以使开关变换器（特别是变压器、电感等磁性元件及电容）的体积、重量大为减小，从而提高了开关变换器的功率密度（单位体积的输出功率）。此外，提高开关变换器的开关工作频率对降低开关电源的音频噪声和改善其动态响应特性也大有好处。

所谓“软开关”指的是，零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS），或零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）。它利用谐振原理使通过开关变换器开关器件的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关关断；或开关管电压为零时，使开关导通，从而使开关器件上的开关损耗为零。软开关技术在改善开关器件工作状态方面效果明显，因而有可能将小功率开关变换器的开关频率提高到兆赫（MHz）级水平。

谐振开关理论上是利用一周期内的谐振现象，但实际情况大多数接有整流二极管（如场效应管内的体二极管等），所以谐振开关只是部分地利用了谐振现象。这就使正向和反向LC回路的参数值不一样，即谐振频率不同，电流幅值也不同，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大于负向正弦半波，所以常称为准谐振（QRC）。

利用准谐振现象，使开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的开关变换器称为准谐振变换器。在单端、半桥或全桥开关变换器中，利用寄生电感和电容（如变压器的漏感，功率开关管或整流管的结电容）或外加谐振电感和电容，可以得到相应的准谐振变换器。谐振回路、参数可以超过两个，例如三个或更多，则称为多谐振（MRC）开关变换器。

按照其控制方式，软开关技术可分为脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）和脉冲移相调制（Phase Shifted Modulation， PSM）等控制方式。

PFM软开关变换器电路结构简单，但工作频率不恒定，给变压器、电感等磁性元件的优化设计带来一定的困难。此类变换器适用于负载、输入电压相对稳定的应用场合。

PWM软开关变换器实现了恒频控制，大大方便了磁性元件的优化设计，PWM控制方式是软开关变换器中应用最广泛的控制方式。此类变换器适合于中、小功率的应用场合。

移相全桥软开关变换器在不增加或增加很少元件的情况下，在具有传统全桥变换器中开关器件电压、电流额定值较低，功率变压器利用率高，输出功率大等优点的同时，实现了开关器件的软开关，并且采用恒频控制，开关器件上的电压、电流应力小，在减小开关变换器体积、重量及降低电磁干扰方面效果明显。因而移相全桥软开关变换器非常适合于中、大功率应用场合。但此类变换器有一个明显的缺点，即变压器副边存在占空比丢失现象，而且滞后桥臂的软开关范围受到负载、输入电压等多种因素的影响。

为了保证输出电压不随输入电压和负载的变化而改变（或基本不变），谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。

调频式不如恒频PWM开关那样容易控制，加上谐振、准谐振、多谐振电路的谐振电压（或电流）峰值高，开关管应力大。所以人们又对它们加以改进，出现了零开关（ZVS，ZCS）-PWM开关变换器和零转换（ZVT，ZCT）-PWM开关变换器。

零开关-PWM是指在准谐振开关中，再增加一个由辅助开关控制的电路，使开关变换器在一个工作周期内，一部分时间按ZCS或ZVS准谐振开关变换器工作；另一部分时间按PWM开关变换器工作。前者称为ZCS-PWM开关变换器，后者称为ZVS-PWM开关变换器。这样，开关变换器既有电压过零（或电流过零）控制的软开关特点，又有PWM恒频调宽控制的特点。

图1-6（a）为PWM开关（硬开关）示意图。图1-6（b）、（c）分别为ZCS和ZVS谐振开关。图1-6（b）、（c）中的谐振电感Lr包括电路中可能有的杂散电感和变压器漏感，谐振电容Cr包括开关器件的结电容。由图1-6（b）可见，在ZCS谐振开关中，当功率开关管SW导通时（ON）时，谐振网络Lr Cr接通，回路电流按正弦规律变化，但这时谐振频率并不一定等于开关频率。当电流谐振至零时，令功率开关管SW关断，振荡停止，故图1-6（b）称为ZCS准谐振开关，ZCS准谐振开关频率可以高达2MHz。由图1-6（c）可见，当功率开关管SW关断（OFF）时， Lr、Cr串联谐振，电容Cr（含功率开关管SW的结电容）上的电压按准正弦规律变化，它自然过零时，令SW导通，所以图1-6（c）是一种ZVS准谐振开关，ZVS准谐振开关频率可达10MHz，从而极大提高了开关变换器的功率密度。

图1-7（a）所示为ZCS条件下功率开关管SW上的电压及电流波形图。图1-7（b）为PWM硬开关的电流、电压的轨迹（A1为关断过程，A2为开通过程）和ZCS，ZVS谐振开关的电压、电流轨迹（图1-7中的波形图B）。可见谐振开关的电压、电流交叠比PWM硬开关要小得多，所以软开关的开关损耗比PWM硬开关的开关损耗要小得多。

在开关器件上并联有源或无源吸收网络，利用吸收网络以减小开关损耗，也是一种实现高工作效率高频开关电源简单而有效的方法。与零开关-PWM变换器中所用的软开关方法相比，在某些情况下，这种方法的性价比更优越。因为吸收电路拓扑简单，无须附加有源谐振网络，成本低且工作可靠。

无源无损或有源无损吸收网络使开关管的开关轨迹Ids～Vds向坐标轴靠近，从而大大减少开关损耗，因此“软化”了开关过程；并且电路中储能可以回馈到电网。如果能设计出一种吸收电路，使开关轨迹 Ids～Vds沿坐标轴变化（或逼近坐标轴），则开关损耗接近于零或很小，相当于ZVS变换器或ZCS变换器。ZVS-PWM或ZCS-PWM是一种传统意义的软开关PWM技术，而用吸收电路技术，使PWM变换器的开关过程软化，虽不能实现零电压或零电流开关，但也可以减少开关损耗，提高了电路效率，可以称为广义软开关PWM技术。

然而，要想实现MHz级软开关电源的实用化，仅依赖电路拓扑的开发是很困难的，很大程度上还有赖于半导体开关器件性能的改善，以及半导体开关器件封装技术的提高等。