探索电源软开关技术及常见软开关拓补

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在电路设计中，电源软开关技术被广泛应用于各种电子设备中。它不仅可以实现对电源的精确控制和管理，还能提高系统的效率和稳定性。与传统硬开关相比，软开关技术在降低开关噪音、减少电磁干扰、延长器件寿命等方面具有明显的优势。在本论坛分享中，让我们一起来探索电源软开关技术，并分享关于常见软开关拓补的经验和见解。软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。按控制方式，软开关可以分为：脉冲宽度脉冲频率调制式（PFM）、脉冲频率调制式（PWM）、脉冲移相式（PS）三种。一、PWM变换器PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前提下，通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。1．零电流开关PWM变换器

图1：Buck型ZCS-PWM变换器上图是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程略有差异：1）线性阶段（S1、S2导通）：开始时，在LR作用下，S1零电流导通。随后，因Uin作用，ILR线性上升，并到达ILR=Io。2）正向谐振阶段（S1、S2导通-关断）：当ILR=Io时，因CR开始产生电压，VD在零电流下自然关断。之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 为零，S2关断，UCR和ILR将被保持，无法继续谐振。3）保持阶段（S1导通、S2关断）：此状态保持时间由PWM电路要求而定，保持期间，Uin正常向负载以I0供电。4）反向谐振阶段（S1导通-关断、S2导通）：当需要关断S1时，可以控制重新打开S2，此时在LR作用下，S2电流为0。谐振再次开始，当ILR反向谐振到0时， S1可在零电流零电压下完成关断。5）恢复阶段（S1关断、S2导通）：此后，UCR 在Io作用下，衰减到0。6）续流阶段（S1关断、S2导通-关断）：UCR衰减到0后，VD自然导通开始续流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到来前以零压零电流方式完成关断。可见，S1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因而负载、输入等将影响ZCS工作状态。2．零电压开关PWM变换器

图2：Boost型ZVS-PWM变换器上面是Boost型零电压谐振变换器。在每次S1导通前，首先辅助开关管S2导通，使谐振电路起振。S1两端电压谐振为0后，开通S1。S1导通后，迅速关断S2，使谐振停止。此时，电路以常规PWM方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断S1，CR使得主开关管可以实现零关断。S1、S2的配合控制，实现软开关下的PWM调节。该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和负载电流范围内，可以满足ZVS条件二极管零电流关断。期缺点是辅助开关管不在软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。3．有源钳位的零电压开关PWM变换器下图为有源钳位的ZVS开关PWM变换器，这是个隔离型降压变换器。其中，LR为变压器的漏电感，LM是变压器的激磁电感。CR为S1、S2的结电容。这个电路巧妙地利用电路的寄生LR、CR产生谐振而达到ZVS条件。同时，CR有电压钳位作用，防止S1在关断时过压。这里的辅助开关S2同样是通过控制谐振时刻，来配合S1进行软开关。该电路具体工作过程从略。

图3：有源钳位ZVS-PWM正激变换器（这个开关的课堂讲解略）。二、PFM变换器PFM是指通过调节脉冲频率（开关管的工作频率）来实现稳压输出的。它控制电路相对简单，但由于它工作频率不稳定，因此一般用于负载及输入电压相对稳定的场合。1．Buck零电流开关变换器

图4：Buck型ZCS准谐振变换器该电路就是前面动态过程分析讲的典型ZCS降压型拓补结构。我们可利用谐振电流过零来实现S1通断，脉宽事实上受谐振电路参数控制，但我们可以控制S1开通时刻（即频率）来实现PFM。2．Buck零电压开关变换器

图5：Buck型ZVS准谐振变换器这个电路是一个Buck型电路结构它利用。它直接利用输出电感作为谐振电感，和CR产生谐振。过程是：1）线性阶段（S导通）：S导通时，输入电压Uin将对CR充电，并提供输出恒流I0。开始时，由于续流过程没有结束，VD将维持一段时间向LR提供电流。2）谐振阶段1（S导通-关断）：随着CR电压的上升，VD逐步承受反压关断。LR、CR开始谐振，输入电源既要提供负载恒定电流，又要提供谐振电流。由于电源钳位作用，VD无法恢复续流。谐振中，可以选择某一时刻关断S，关断时两端电压为0。3）谐振阶段2（S关断）：此后，LR、CR、CS共同谐振。当CR电压谐振到过零时，VD重新导通续流。4）谐振阶段3（S关断-导通）：续流期间，LR、CS继续谐振。当CS电压过零时，可以重新开通S。这个电路是利用S的关断时刻来达到PFM调节的。三、PS软开关变换器脉冲移相软开关变换器用于桥式变换器。桥式变换器必须是在对角开关管同时导通时，才输出功率。我们可以通过调整对角开关管的重合角度，来达到调节电压的目的。在中、大功率电源中，经常使用这种变换器。1．移相全桥零电压零电流变换器下图是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全桥-零电压零电流-脉宽调制）变换器电路拓补结构图。C1C、C2C是开关管结电容或并联电容，LR为变压器的漏电感，LS为串联的饱和电感，Cb为阻断电容。VD1-VD4用做续流二极管。原理简述：这是一个全波桥软开关变换器，我们可以让S3、S4在移相时滞后，则我们把S1、S2称为超前桥臂，S3、S4称为滞后桥臂。S1、S2可以在LR、LS、C1C、C2C、副边耦合电感等的谐振作用下，实现零电压开关。在电流过零时，由于阻断电容、饱和电感作用，使得零电流有一定保持时间，在此期间，S3、S4实现零开关。如果把LS、Cb去掉，在S3、S4两端并联两个谐振电容，就构成了移相全桥零电压变换器。

图6：移相全桥零电压零电流变换器2．不对称移相全桥零电压零电流变换器下图中，超前臂外接了旁路电容和反并二极管，而滞后臂则没有。所以称为不对称移相全桥变换器。这个电路同样是通过谐振在零压时开关S1、S3，而在零电流开关S2、S4。这个电路和对称全桥的区别是，对称全桥由于滞后桥臂有续流二极管和电容，因此在电流过零后，将形成反向流通渠道，因此要有比较大的电感来维持电流过零的时间，以完成对滞后桥臂的开关。而不对称全桥则因为滞后桥臂没有了通路，因此过零后能保持在零电流，以便完成滞后臂的开关。同时，由于对称全桥电路原边串联了比较大的电感，因而电源效率会有一定损失。而不对称电路可以不串较大电感，所以损耗降低，电源效率得以提高。下面是该电路的工作过程要点分析如下：

图7：不对称移相全桥零电压零电流变换器1） 先看对角导通，如S1、S4开通时，原边能量正常向副边传输，C2、Cc充电。2） 当S1关断时，C1充电，C2放电，原边电流方向不变。由于C1上升是渐进的，所以S1属于零压关断。3） 当C2放电过零，VD2开始反向导通时，可以控制S3导通，因此S3为零压导通。4） S3导通上升沿触发一单稳态脉冲，控制辅管Sc导通。此时，Cc电压被瞬间接到变压器副边。从而在原边产生一瞬间高压，此较高电压将加快原边电流迅速复位归零。5） 当电流回零后，辅管关断。此时副边又被钳制在近似短路的低电压，原边电压也迅速降低。使得C3电压反向加到S4上，促使S4在零电流下关断。6） 此时，在Lk作用下，同时可以零电流开通S2。电流换向成功，进入下半个周期。7） 副边在原边换向的同时，也完成换向，且由于Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰电压。四、其它软开关技术应用及发展概况其实，为了提高对输入电压、负载变化的适应能力，降低开关管电压、电流应力，减少开关损耗等目的，其它改进型的软开关类型还有很多，也有许多问题需要讨论，远远不是这些篇幅所能探讨的。这里只简单浏览相关典型软开关电路，感兴趣者可查阅相关专业资料。1、 半桥不对称PWM变换器与全桥变换器不同，在合适的控制方案下，半桥电路也可以组成不对称ZVS变换器，但无法构成ZVZCS电路。它可以实现开关管的零压切换，且在宽负载和输入电压范围实现恒频PWM调节。2、 有源与无源软开关一般的软开关，分为有源和无源两种。传统的软开关要附加有源器件（如开关）及控制电路，近几年逐步开始开发无源软开关，从而促进了电路的简化和开关电源的成本降低。这项技术的关键是用简单的电路结构来实现dv/dt、di/dt的降低，从而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除电路中的有源部分。3、 DC/DC变换器DC/DC变换器实际上就是前面讲到的各类变换器。只是去掉开关电源的输入电路及部分输出整流器件，形成简单的DC/DC转换模块。这类器件目前取得了较大范围的应用，使得用户可以简单地构件自己的电源系统。这种器件的研发，成为开关电源的一个重要分支。4、 软开关逆变器借用软开关的概念，在全桥电路上适当改进，可以构成软开关全桥有源逆变器电路。所以，软开关技术的应用不仅仅限于开关电源本身，其它类似功率变换电路也可以借用这个技术，而实现功率器件的软开关，从而降低损耗，提高效率。典型的如变频器、电机保护器。5、三电平电路在大功率高电压变换电路中，管子的电压应力必须尽量降低。因此，研发了所谓三电平电路。通过增加“变换电感”和电容器件，达到降低电压应力的目的。这个方案可以使开关管电压应力降低到输入直流电压的一半。6、 其它电路及发展方向变换器电路实际还有很多问题需要讨论，我们在有限的时间内不可能完全涉及。变换器目前的发展大体有如下两个主要趋势：（1） 朝高功率密度、大电流发展。以满足高功率电源需要。（2） 朝低压发展，以满足低损耗系统的需要。目前在1VDC电源方向展开了一系列研究。

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