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1、软开关技术回顾与展望An Overview on Soft- switching T echnique清华大学 杨德刚 赵良炳 ( 北京 100084)摘要: 回顾了软开关技术的发展阶段, 并结合具体电路重点分析了几种先进的软开关 PWM 变换器的特点, 提出了软开关技术的评测指标和零电压开关、 零电流开关的定义。Abstract: The paper reviews the development stages of soft-switching(SS) techniques with focus onthe specific circuit. The features of several
2、 kinds of advanced SS- PWM converters are analyzed. The cri-terion of SS techniques, the definitions of ZCS and ZVS are proposed.叙词: 变换器 脉宽调制/软开关Keywords: converter; PWM; soft- switching1 引 言在开关模式功率电源中, 往往采用磁性元件( 如铁心电感、 变压器等) 实现交/ 直流侧滤波、 能量存储和传输。 这些磁性元件在电源装置的体积、 重量、 成本中占有很大比重。 开关器件 工作频率越高, 磁性元件尺寸则越小
3、, 从而实现电源装置的小型、 轻量、 低成本。 但是, 传统PWM 变换器中的开关器件工作在硬开关状 态, 硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高:( 1) 开通和关断损耗大: 在开通时, 开关器件的电流上升和电压下降同时进行; 关断时, 电 压上升和电流下降同时进行。 电压、 电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。( 2) 感性关断问题: 电路中难免存在感性元 件( 引线电感、 变压器漏感等寄生电感或实体电感) , 当开关器件关断时, 由于通过该感性元件的 di/ dt 很大, 感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端, 易造成电压击穿。 ( 3) 容性开通
4、问题: 当开关器件在很高的电压下开通时, 储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内, 引起开关器件过热损坏。 ( 4) 二极管反向恢复问题: 二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期, 在此期间内, 二极管仍处于导通状态, 若立即开通与其串联的开关器件, 容易造成直流电源瞬间短路, 产生很大的冲击电流, 轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加, 重则致其损坏。克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关 技术( Soft Switching, 简称 SS) 。 最理想的软开通过程: 电压先下降到零后, 电流再缓慢上升到通态值, 所以开通损耗近似为零。 另外, 因器件 开通前电压已下降到零,
5、器件结电容上的电压亦为零, 故解决了容性开通问题, 这意味着二极管已经截止, 其反向恢复过程结束, 因此二极管反向恢复问题亦不复存在。 最理想的软关断过 程: 电流先下降到零, 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, 即线路电感中电流亦为零, 所以 感性关断问题得以解决。由此可见, 软开关技术可以解决硬开关PWM 变换器的开关损耗问题、 容性开通问题、感性关断问题、 二极管反向恢复问题, 同时也能 解决由硬开关引起的 EMI 问题。 2 软开关种类近年来, 软开关的称谓甚多, 在此我们试图对软开关下一个明确的定义, 以利于概念的规范化, 便于开展研究和
6、交流。 无论采用哪种电路 拓扑和控制技术, 最理想的软开关波形只有一种, 如图1所示。 同时图1还给出了硬开关波形,以供对比。 软开关包括软开通和软关断: 软开通有零电流开通和零电压开通两种; 软关断有零 电流关断和零电压关断两种, 可按照驱动信号的时序来判断。96 电力电子技术 1998年第2期 1998. 5图1 软开关和硬开关波形之比较零电流关断: 关断命令在 t2时刻或其后给出, 开关器件端电压从通态值上升到断态值, 开关器件进入截止状态。零电压关断: 关断命令在 t1时刻给出, 开关 器件电流从通态值下降到断态值后, 端电压才从通态值上升到断态值, 开关器件进入截止状态。 在 t2以
7、前, 开关器件的端电压必须维持在通态值( 约等于零) 。零电压开通: 开通命令在 t2时刻或其后给出, 开关器件电流从断态值上升到通态值, 开关器件进入导通状态。 在 t2以前, 开关器件端电压必须下降到通态值( 约等于零) , 并且在电流上升到通态值以前维持在零。零电流开通: 开通命令在 t1时刻给出, 开关器件端电压从断态值下降到通态值以后, 电流才从断态值上升到通态值, 开关器件进入导通状态。 在 t2以前开关器件必须维持在断态值( 约等于零) 。 3 评价指标为了准确地比较、 评价各种软开关技术的性能, 需要建立一套行之有效的考核指标。 建议采用变换器效率 ?和开关器件的利用率 ?来鉴
8、别各种软开关技术。计算公式:?=Po Pi100%( 1)式中 Po变换器输出功率Pi变换器输入功率?=Po nUpIp( 2)式中 n 变换器中主开关器件的个数Up、 Ip主开关器件正常工作时承受的最大 电压和最大电流变换器效率反映了变换器总的损耗情况, 如果所采用的软开关技术在减小器件开关损耗的同时又增加了器件通态损耗, 则变换器的效率不会有明显改进。 器件利用率反映了器件承受的电压电流应力情况, 在相同的输出功率下, 器件承受的电压电流应力越小, 器件的利用率越高。 4 发展阶段4. 1 谐振开关( 以下简称 RS)基本思想: 谐振开关是由一个半导体开关VM1、 一个电感 Lr、 一个电
9、容 Cr组成的子电路。 分 L 型和 M 型两种, 如图2所示。图2 谐振开关主电路对 VM1而言, Lr与 Cr组成一个串联谐振电路。 VM1开通时, 由 Lr限制电流上升速度, 实 现零电流开通。 当 VM1导通时, 电流以准正弦形式经 VM1、 Lr进入 Cr。 当电感电流下降到零时, 电容电压使 VD1承受反压而关断。 这样, 谐 振开关具备了零电压和零电流特性。 图3a 示出零电流谐振开关, 图3b 示出零电压谐振开关。图3 谐振开关基本结构和半波结构 RS 相比, 全波结构 RS 变换器的直流电压转换比与负载大小无关, 只与 fs/ fr97软开关技术回顾与展望有关( fs为开关器
10、件 VM1的工作频率, fr是 Lr-Cr谐振频率) , 因此, 全波结构变换器的控制比 半波变换器的简单, 在工程中常用全波结构。其主要优点是开关过程为软开通或软关断, 开通或关断损耗很小。 主要缺点是: ? 开关器件的通态电流或断态电压应力大。 对于电压 模式 RS, 开关 VM1在零电压下开通和关断, 其承受的断态峰值电压是输出电压的2倍以上, 对于电流模式 RS, 开关 VM1在零电流下开通和关断, 流过它的通态电流峰值亦是输出电流的 两倍以上, 且通态损耗大。 ? 开关器件工作频率不恒定。 当电源电压或负载变化时, 靠改变开关VM1的工作频率 fs来调节输出电压, 致使fs变化范围很
11、大, 使功率变压器、 输入、 输出滤波器的设计和优化难以进行。 另外, fs变化范围大, 不利于与下级变换器的同步。 只适合开关器件数量少的变换器, 如 DC-DC、 单开关 AC-DC变换器等。 4. 2 谐振环谐振环包括谐振直流环( RDCL) 和谐振交流环( RACL) , 由于 RACL 所用的开关器件数量比 RDCL 多一倍, 在实际中很少采用, 所以 本文只介绍 RDCL。基本思想: 使直流母线电压或电流以较高频率振荡, 恒定的直流电压或电流变成高频脉动的直流电压或电流, 从而出现周期性的过零 点, 给挂在该母线上的所有开关器件创造零电压或零电流开通和关断条件。 图4示出谐振直流环
12、基本结构。(a)并联RDCL (b)串联RDCL图4 谐振直流环基本结构和 RS 相比, 该结构具有以下优点: ( 1) 电路结构清晰, 不改变直流母线两侧变 换器的结构, 只对公共直流母线电压或电流进行操作。( 2) 过零点对所有整流器和逆变器开关都 有效, 因此电路结构简单, 不需要为每个开关配备一套谐振元件。( 3) 开关器件的开通和关断均为零电压或 零电流条件。其主要缺点是:( 1) 开关器件的通态电流或断态电压应力大。 对于 PRDCL, 直流电压峰值是无 SRDCL 时的2倍以上, 对于 SRDCL, 直流电流峰值是无SRDCL 时的两倍以上。( 2) 因控制上多采用离散脉冲调制而
13、存在 次谐波问题。4. 3 软开关 PWM 变换器( SS-PWM 变换器)RS 和 RDCL 利用 LC 谐振实现了软开关,克服了传统 PWM 变换器硬开关产生的四个缺 陷。 但由于它们既利用谐振实现换相, 又利用谐振传输功率, 因此, 器件的通态电流峰值或断态电压峰值是负载或电源的电流或电压的两倍以上, 这不但增加了稳态器件电流或电压应力, 又 增加了通态损耗。 而传统 PWM 变换器的器件通态电流、 断态电压等于电源或负载电流或电压, 通态损耗小, 通态电流或断态电压应力小。 由此可见, 若只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用 PWM 工作方式, 则既能克服硬开关 PWM 在开关过程中
14、的四个缺陷, 又能保留硬开关 PWM 变换器的低稳态损耗和低稳态应 力。软开关 PWM 变换器一般需要辅助换相电路为主电路开关器件提供软开关条件, 下面介 绍几种比较先进的拓扑。4. 3. 1 相移式 PWM 变换器图5是这种变换器的电路结构, 其工作原理见参考文献 9 。 该变换器的主要特点是:( 1) 利用电路中的寄生元件即变压器漏感和开关器件结电容之间的谐振实现开关器件的 零电压开通, 一般不需要附加电感、 电容元件,因此电路元件数量少, 结构简单。( 2) 开关器件电流应力和电压应力与硬开关 PWM 变换器一样。98 电力电子技术 1998年第2期 1998. 5( 3) 所有开关器件
15、都是零电压开通。 ( 4) 零电压开通条件受负载电流影响, 轻载时条件难以满足。( 5) 开关器件关断时工作在硬开关状态。 变 压器副边的整流二极管工作在硬开关状态, 二极管关断时, 其结电容和变压器漏感产生振荡,引起严重的电压尖峰, 危及器件安全, 并增加了开关损耗, 降低了变换器效率。图5 相移式 PWM 变换器的电路结构文献 1 提出在变压器副边添加有源吸收 电路, 增加一个开关、 一个二极管和一个电容,以无损方式消除电压过冲和振铃, 但缺点是变压器副边有开关器件, 且要求隔离, 增加了驱动电路复杂度。 文献 2 在变压器原边添加一个串联电感和两个二极管, 可基本消除电压过冲和振铃, 方
16、法较简单。 文献 3 采取变压器副边双电感整流方案, 既消除了变压器副边电压尖峰和振铃, 又实现了超前臂、 滞后臂器件都利用输出滤波电感储能实现零电压开通, 从而增大了滞后臂零电压负载范围。为了采用高功率容量、 低通态损耗的IGBT 作为主开关器件, 需要克服其关断拖尾电流大,因而关断损耗大的缺点。 为此要求电路提供零电流关断环境。 文献 4 在这方面作了尝试: 在变压器原边串联一个可饱和电感和一个隔直电容, 实现了滞后臂器件零电流开通和零电流关断, 但该电路拓扑不易用到三相整流器上。 文献 5 试图将这种方案用到三相整流器上, 结果电路相当复杂, 主开关器件数量很多, 造成通态损耗很大, 而且驱动电路复杂。总而言之, 利用负载电流实现主开关器件的零电压开通, 是相移 PWM 变换器的基本思想。 因此, 零电压范围受负载变化的影响, 轻载时零电压条件不复存在, 也是这类变换器的固 有缺点。 文献 10 在文献 4 的基础上, 引入了两只快速整流管, 实现了领先桥臂的零电压开关, 滞后桥臂的零电流开关, 从而避免了轻载对 软开关
