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电子电力技术的软开关变换器学习记录分享1

news 2025/10/27 17:06:55

【电力电子技术】软开关技术核心解析：从硬开关损耗到ZVS/ZCS实现原理

🔥 作为一名电力电子工程师，你是否曾困惑：

为什么提高开关频率会导致效率急剧下降？

如何突破硬开关的频率限制实现高效电能转换？

ZVS和ZCS到底是如何消除开关损耗的？

本文将深入剖析软开关技术的分类与实现原理，带你掌握：
✅ 硬开关的损耗机理与电磁干扰问题
✅ 零电压开关(ZVS)与零电流开关(ZCS)的实现关键
✅ 准谐振变换器(QRC)的谐振开关工作原理
✅ 现代软开关变换器的分类与应用场景

8.1 软开关变换器的分类

8.1.1 硬开关的概念

在开关变换器中，开关管工作在导通和截止两个状态。在前面分析开关变换器的工作原理时，通常假设开关管是理想器件，其开通和关断是瞬时完成的。在第7章中已经指出，实际开关管的开通和关断是需要时间的，如图8.1所示。在开通时，开关管的电压 $u_o$ 不是立即下降到零，而是有一个下降时间；同时它的电流 $i_o$ 也不是立即上升到稳态电流，也有一个上升时间。在这段时间里，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗称为开通损耗（Turn-on Loss）。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到稳态电压，而是有一个上升时间；同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，开关管的电流和电压也有一个交叠区，由此产生损耗，该损耗称为关断损耗（Turn-off Loss）。开通损耗和关断损耗统称为开关损耗（Switching Loss），在一定工作条件下，每个开关周期内的开关损耗是恒定的，因此总开关损耗与开关频率成正比。开关频率越高，总开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗限制了开关频率的提高，因而限制了变换器的小型化和轻量化。

从图8.1可以看出：开关管开通时，其电流上升很快，即 $d u / d t$ 很大；开关管关断时，其电压上升很快，即 $d u / d t$ 很大。因此称开关管的这种开关方式为硬开关（Hard Switching），它会产生很大的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。

8.1.2 软开关的概念

为了减少开关变换器的体积和重量，必须提高开关频率，这就需要降低甚至消除开关损耗。否则开关损耗随着开关频率的升高而线性增加，一方面变换器效率很低，另一方面需要很大的散热器，导致体积和重量增加。减小开关损耗的方法，就是要减少开关过程中开关管的电压与电流的交叠时间，或者减少交叠时间内的电压或电流。

减小开通损耗的方法有：①在开关管开通时，限制其电流的上升率，使其缓慢上升，如图8.2（a）所示。这样，就减少了电流和电压交叠区内电流的大小，因此开通损耗近似为零，这就是零电流开通。②在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是零电压开通，如图8.2（b）所示。此时，开通损耗被完全消除到零。

减小关断损耗的方法有：①在开关管关断前，使其电流减小到零，如图8.2（a）所示，这就是零电流关断，这样关断损耗被完全消除到零；②在开关管关断时，限制其电压的上升率，使其缓慢上升，如图8.2（b）所示。这样，就减少了电流和电压交叠区内电压的大小，此时关断损耗近似为零。这就是零电压关断。
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对于一只开关管而言，其开通损耗和关断损耗需要同时减小或消除，不能只消除一个。后面将会看到，如果开关管是零电流开通，那么一定是零电流关断，即实现零电流开关（Zero-Current-Switching，ZCS）。这里所谓的零电流开通，是指开关管开通时，其电流是慢慢增加的，实际上是近似的零电流开通。而当它关断时，需要提前将电流减小到零，是真正的零电流关断。类似地，如果开关管是零电压开通，那么一定是零电压关断，即实现零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS）。零电压关断是指开关管关断时，其电压慢慢上升，近似于零电压关断。而当开关管开通时，其反向并联（后面简称反并）二极管已提前导通，将开关管两端电压缩至零，是真正的零电压开通。由于电流流过反并二极管，开关管中并无电流，也可以说是零电流开通。也有文献说，此时开关管实现了零电压/零电流开关。为了与零电压关断相匹配，称之为零电压开通较为合适。

从图8.2中可以看出，开关管如果实现ZCS，其开通时电流上升速度较慢，关断时电流已经为零；而在实现ZVS时，其关断时电压的上升速度较慢，开通时电压已经为零。无论ZCS还是ZVS，开关管开关过程中 $didt\frac{di}{dt}$ 或者 $dudt\frac{du}{dt}$ 都比硬开关的小，也就是开关过程被软化了，因此称之为软开关（Soft-Switching）。

8.1.3 软开关直流变换器的分类

软开关技术实际上是利用电感和电容对开关管的开关轨迹进行整形。最早的方法是采用有损缓冲电路来实现，如在开关管上并联 RCD 缓冲电路或串联 RLD 缓冲电路。从能量的角度来看，有损缓冲电路是将开关管的开通或关闭损耗转移到缓冲电路消耗掉，以改善开关管的开关条件。这种方法不会提高变换器的效率，甚至会使效率降低。通常所说的软开关技术，是指可以真正减少开关损耗，而不是转移开关损耗的方法。

单管直流变换器和桥式直流变换器中开关管的工作特点是不一样的，其软开关的实现也不一样。对于单管直流变换器来说，如六种基本的非隔离型直流变换器、正弦和反激两种隔离型直流变换器，其工作是单极性的，也称之为单端（Single-Ended）直流变换器；对于桥式直流变换器来说，如桥式变换器和全桥变换器，其桥臂输出的电压是正负对称的交流方波，因此又称之为双端（Double-Ended）直流变换器。

对于单管直流变换器，其软开关可分为以下几种：
1）准谐振变换器（Quasi-Resonant Converter，QRC）和多谐振变换器（Multi-Resonant Converter，MRC）。这类变换器的特点是：在一个开关周期内，谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全稳态与。QRCs 分为 ZCS 和 ZVS 两类，而 MRC 只实现 ZVS。这类变换器需要采用频率调制方法。
2）零开关（Zero-Switching）脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM）变换器。它们是在 QRCs 的基础上，加入一个辅助开关管，将谐振元件的谐振过程分为两个阶段，一个用来实现零电压开通（或零电流开通），另一个实现零电压关断（或零电流关断）。加入辅助开关管后，变换器可以实现 PWM 控制。与 QRCs 不同的是，谐振元件的谐振工作时间应该比开关周期短得多，一般为开关周期的 $\sim 1/5$ 。零开关 PWM 变换器也可分为 ZCS PWM 变换器和 ZVS PWM 变换器。
3）零转换（Zero-Transition）PWM 变换器。与零开关 PWM 变换器一样，这类变换器也是工作在 PWM 方式。不同的是，其辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作很短一段时间，以实现其软开关，其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。零转换（Zero-Transition）PWM 变换器可分为零电压转换（Zero-Voltage-Transition，ZVT）PWM 变换器和零电流转换（Zero-Current-Transition，ZCT）PWM 变换器，不过 ZCT PWM 变换器应用较少。

对于桥式直流变换器来说，其软开关可分为两种：
1）全谐振型变换器。一般称之为谐振变换器（Resonant Converter），其特点是在一个开关周期内谐振元件参与能量变换。按照谐振元件的个数，有二阶谐振变换器、三阶谐振变换器、四阶谐振变换器、五阶谐振变换器等。二阶谐振变换器有两种，即串联谐振变换器和并联谐振变换器；三阶谐振变换器主要有两种，即 LLC 谐振变换器和 LCC 谐振变换器；四阶谐振变换器的典型电路结构是 LLCC 谐振变换器；五阶谐振变换器主要有 LLC-LC 谐振变换器、串联-串联补偿型谐振变换器和串联-并联补偿型谐振变换器等。谐振变换器主要采用频率调制方法，也有采用 PWM 控制的，但效率不高。
2）移相控制全桥变换器。该变换器利用全桥变换器开关管的工作特点，采用移相控制方法，可以实现开关管的 ZVS 或者 ZCS。

本章主要介绍软开关实现的基本思路。针对单管直流变换器，重点介绍准谐振直流变换器和零电压转换直流变换器；针对桥式直流变换器，介绍得到广泛应用的 LLC 谐振变换器和移相控制全桥变换器。

8.2 准谐振变换器

对于准谐振变换器（QRC）来说，其关键的部分是谐振开关，它由开关管与谐振电感和谐振电容组成。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同组合，可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关。

8.2.1 谐振开关

1. 零电流谐振开关

为了实现开关的零电流开关，可以在开关管中串联一只电感，用来限制开关管开通时电流的上升率，以实现开关管的零电流开通。为了实现开关管的零电流关断，必须在开关管关断之前，将串联电感电流减小到零，这可通过引入一只电容来实现，通过电容与电感谐振工作，使串联电感的电流谐振到零。在后面的讨论中，称串联的电感为谐振电感，引入的电容为谐振电容。

图 8.3 给出了零电流谐振开关的电路图，它有三端口型和两端口型两种结构，其工作原理相同，后面以图 8.3 (a) 的结构为例进行阐述。从图 8.3 中可以看出，谐振电感 $L_i$ 与功率开关 S 串联，其基本思想是：S 开通之前， $L_i$ 的电流为零，当 S 开通时， $L_i$ 限制 S 中电流的上升率，从而实现 S 的零电流开通；在 S 关断之前， $L_i$ 和 $C_i$ 谐振工作使 $L_i$ 的电流回到零，为 S 实现零电流关断提供条件。因此， $L_i$ 和 $C_i$ 用来实现 S 的零电流开关。
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根据功率开关 S 是单方向导通还是双方向导通，可将零电流谐振开关分为半波模式和全波模式，如图 8.4 所示。图 8.4 (a) 给出的是半波模式的电路实现，功率开关 S 由开关管 Q 和二极管 $D_0$ 相串联构成，这样功率开关 S 的电流只能单方向流动（如果 Q 采用 MOSFET），而且 $D_0$ 为 Q 承受反向电压（如果 Q 选用 BIT、IGBT 等器件，它们不能承受反向电压，否则将被反向击穿）。这样谐振电感 $L_i$ 的电流只能单方向流动。图 8.4 (b) 给出的是全波模式的电路实现，功率开关 S 由开关管 Q 及反并二极管 $D_0$ 构成，可以双方向流过电流，其中 $D_0$ 提供反向电流通路。谐振电感 $L_i$ 的电流可以双向流动， $L_i$ 和 $C_i$ 可以自由谐振工作。
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2. 零电压谐振开关

为了实现开关的零电压开关，可以在开关管上并联一只电容，用来限制开关管关闭时电压的上升率，以实现开关管的零电压关断。为了实现开关管的零电压开通，必须在开关管开通之前，将并联电容的电压减小到零，这可通过引入一只电感来实现，通过电感与电容谐振工作，使并联电容的电压谐振到零。类似地，在后面的讨论中，称并联的电容为谐振电容，引入的电感为谐振电感。

图8.5给出了零电压谐振开关的电路图，它也有两种结构，即两端口型和三端口型，其工作原理是一样的，可以根据具体的直流变换器选择合适的结构。从图8.5中可以看出，谐振电容 $C_i$ 与功率开关 $S$ 并联，其基本思路是：当 $S$ 关断时， $C_i$ 限制 $S$ 上电压的上升率，从而实现 $S$ 的零电压关断。而当 $S$ 开通之前， $L_i$ 和 $C_i$ 谐振工作使 $C_i$ 的电压先回到零，这样 $S$ 就可以实现零电压开通。因此，引入 $L_i$ 和 $C_i$ 可以实现 $S$ 的零电压开关。
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同样，根据功率开关 $S$ 是单方向导通还是双方向导通，可将零电压谐振开关分为半波模式和全波模式，如图8.6所示。这里的半波模式和全波模式的定义与零电流谐振开关有所不同。图8.6（a）给出的非半波模式的实现方式，功率开关 $S$ 由开关管 $Q$ 及其反并二极管 $D_Q$ 构成，这样谐振电容 $C_i$ 上的电压只能为正，不能为负，因为此时 $C_i$ 的电压被 $D_Q$ 留在零电位。图8.6（b）给出的非半波模式的实现方式，功率开关 $S$ 由开关管 $Q$ 和二极管 $D_Q$ 相串联构成，此时谐振电容 $C_i$ 的电压既可以为正，也可以为负， $L_i$ 和 $C_i$ 可以自由谐振工作。实际上， $D_Q$ 也为 $Q$ 承受反向电压。