電力電子軟開關(guān)技術(shù)綜述

石黃霞，何 穎，董曉紅

(新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，烏魯木齊 830091)

1 引言

軟開關(guān)技術(shù)是為了降低開關(guān)損耗、承受的耐壓以及電磁干擾、進(jìn)一步提高開關(guān)頻率而產(chǎn)生的重要技術(shù)。它應(yīng)用諧振原理，將PWM 控制方式和諧振變換器結(jié)合起來(lái)，使開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時(shí)，使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí)，使器件開通)，從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題，而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題。

自上世紀(jì)70年代以來(lái)，各種軟開關(guān)技術(shù)快速興起。根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)電壓和電流的狀態(tài)，軟開關(guān)分為兩大類:零電壓開關(guān)(ZVS:Zero Voltage Switch)和零電流開關(guān)(ZCS:Zero Current Switch)。根據(jù)發(fā)展歷程，開關(guān)電路分為:準(zhǔn)諧振變換電路、零開關(guān)PWM 變換電路和零轉(zhuǎn)換PWM 變換電路。

2 準(zhǔn)諧振變換器

準(zhǔn)諧振變換器(QRCs:Quasi－ Resonant－Converters)是20世紀(jì)80年代提出的一類DC－DC諧振變換器，是在原有變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上添加上諧振元件而形成的。在變換器工作的一個(gè)周期內(nèi)，一部分時(shí)間諧振元件參與諧振，使功率開關(guān)管獲得零電壓或零電流開關(guān)條件，減小其開關(guān)損耗。根據(jù)諧振方式不同，準(zhǔn)諧振變換器分為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZVS QRCs)和零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZCS QRCs)。

2.1 ZVS 電路［1－2］

4種零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的拓?fù)淙鐖D1 所示。以boost 變換器為例，其工作的基本思想是:電感L1 足夠大，使輸入側(cè)為恒流源，電容C2 足夠大，使輸出側(cè)為恒壓源。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，諧振電容C1上的電壓為零;開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，C1 限制開關(guān)管上電壓的上升率，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷;開關(guān)管再導(dǎo)通時(shí)，L2和C1 諧振，使C1 上的電壓回到零，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

其一個(gè)工作周期分為4個(gè)工作狀態(tài)，如圖2 所示。其工作過程如下:

圖2 Boost 型ZVS QRCs的工作狀態(tài)圖

(a)電容充電階段［t0，t1］

t0時(shí)刻之前，VTP導(dǎo)通，輸入電流Ii經(jīng)VTP續(xù)流，UC1=0。VD 關(guān)斷，iL2=0。

在t0時(shí)刻，關(guān)斷VTP，輸入電流Ii從VTP轉(zhuǎn)移到C1，給C1 恒流充電，VTP實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。在t1時(shí)刻，UC1上升到輸出電壓Vo，VD 導(dǎo)通。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時(shí)刻VD 導(dǎo)通，L2 與C1 諧振工作，UC1從負(fù)電壓上升到0時(shí)開通VTP，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

(c)電感放電階段［t2，t3］

VTP開通，輸入電流Ii流經(jīng)VTP，L2 兩端的電壓為－Vo，iL2線性減小。t3時(shí)刻，iL2減小到0，VD 關(guān)斷。

(d)自然續(xù)流階段［t3，t4］

t3時(shí)刻VD 關(guān)斷，輸入電流Ii經(jīng)過VTP續(xù)流。在t4時(shí)刻，VTP零電壓關(guān)斷，開始下一個(gè)開關(guān)周期。

Boost 型ZVS QRCs的相平面圖和時(shí)域波形圖如圖3 所示。在這種變換器中，可實(shí)現(xiàn)很大的諧振頻率，但開關(guān)管的應(yīng)力很大，它與實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍有關(guān)。

圖3 Boost 型ZVS QRCs的相平面圖和時(shí)域波形圖

2.2 ZCS 電路［3－7］

4種零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器拓?fù)淙鐖D4 所示。

圖4 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

以boost 變換器為例，其一個(gè)工作周期分為4個(gè)工作狀態(tài)，如圖5 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時(shí)刻之前，VTP關(guān)斷，續(xù)流二極管VD 導(dǎo)通。在t0時(shí)刻，VTP零電流開通，給L1 線性充電，當(dāng)iL1上升到輸入電流Ii時(shí)，VD 關(guān)斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時(shí)刻VD 關(guān)斷，L1 與C1 諧振工作，iL1諧振到0時(shí)VTP零電流關(guān)斷。

(c)電容充電階段［t2，t3］

VTP關(guān)斷，輸入電流Ii給C1 恒流充電，t3時(shí)刻UC1上升到輸出電壓Vo，VD 導(dǎo)通。

(d)自然續(xù)流階段［t3，t4］

t3時(shí)刻VD 導(dǎo)通，輸入電流Ii經(jīng)過VD 續(xù)流。在t4時(shí)刻，VTP零電流開通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。

圖5 Boost 型ZCS QRCs的工作狀態(tài)圖

Boost 型ZCS QRCs的相平面圖和時(shí)域波形圖如圖6 所示。在這種變換器中，可實(shí)現(xiàn)很大的諧振頻率，但開關(guān)管的應(yīng)力很大，導(dǎo)通損耗也較大。另外，導(dǎo)通時(shí)間會(huì)受到負(fù)載大小和諧振頻率的影響。

圖6 Boost 型ZCS QRCs的相平面圖和時(shí)域波形圖

3 零開關(guān)PWM 變換器

準(zhǔn)諧振技術(shù)能夠減小開關(guān)的損耗，為了解決理想電力電子開關(guān)電路開關(guān)頻率固定的問題，一種能實(shí)現(xiàn)恒頻控制的ZVS－PWM 和ZCS－PWM 電路及其控制技術(shù)被提出。

3.1 ZVS－PWM 變換器［8－10］

一種boost 型ZVS－PWM 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7，其一個(gè)工作周期分為5個(gè)工作狀態(tài)，如圖8 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時(shí)刻之前，主管S1 和輔管S2 關(guān)斷，D1 導(dǎo)通。在t0時(shí)刻，輔管S2 導(dǎo)通，iLr電流線性上升到輸入電流，D1 關(guān)斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時(shí)刻D1 關(guān)斷，Cr、Lr 諧振。t2時(shí)刻，Cr 電壓下正上負(fù)時(shí)，D3 導(dǎo)通，諧振電流達(dá)到最大值，S2 關(guān)斷，同時(shí)使S1 零電壓開通。

(c)換流階段［t2，t3］

t2時(shí)刻，使S2 關(guān)斷，由于Lr 中電流不能突變，其端壓瞬時(shí)反向使反并聯(lián)的D2 導(dǎo)通。S1 上電流迅速線性上升，在t3時(shí)刻上升至輸入電流，iLr為零，D2關(guān)斷。

(d)電容充電階段［t3，t4］

t3時(shí)刻，D2 關(guān)斷，同時(shí)使主管S1 零電壓關(guān)斷，向Cr 線性換流，對(duì)其充電，D3 關(guān)斷。t4時(shí)刻，Ucr達(dá)到輸出電壓，D1 導(dǎo)通。

(e)續(xù)流階段［t4，t5］

t4時(shí)刻D1 導(dǎo)通，輸入電流經(jīng)主管D1 續(xù)流，一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束，等待下一周期輔管S1 被觸發(fā)。

Boost 型ZVS－PWM的時(shí)域波形圖如圖8(f)所示。在這種變換器中，可實(shí)現(xiàn)恒頻率運(yùn)行，電流應(yīng)力比較小，但主管的電壓應(yīng)力較大，在輕載情況下可能失去ZVS 條件。

3.2 ZCS－PWM 變換器［11－30］

一種ZCS－PWM 變換器基本單元及其相應(yīng)的5種零電流PWM 變換器拓?fù)淙鐖D9 所示。

以boost 變換器為例，其一個(gè)工作周期分為6個(gè)工作狀態(tài)，如圖10 所示。工作過程如下:

(a)電感放電階段［t0，t1］

t0時(shí)刻之前，主管S1 關(guān)斷，輸入電流Ii流經(jīng)Lin，D1，Lr，D2，和Vo。在t0時(shí)刻，S1 零電流開通，Lr向輸出線性放電，電流由Ii至0，D1，D2 關(guān)斷。

(b)續(xù)流階段［t1，t2］

t1時(shí)刻D1，D2 關(guān)斷，輸入電流Ii經(jīng)主管S1 續(xù)流。

(c)諧振階段［t2，t3］

t2時(shí)刻，輔管S2 零電流開通，Lr，Cr 開始諧振。iLr為0時(shí)，D1 導(dǎo)通。

(d)諧振階段［t3，t4］

t3時(shí)刻D1 導(dǎo)通，Lr，Cr 經(jīng)由S1 回路繼續(xù)諧振。iLr反向時(shí)，S2的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通。

(e)諧振階段［t4，t5］

t4時(shí)刻，S2的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，S2 零電壓、零電流關(guān)斷。t5時(shí)刻，諧振電流iLr與輸入電流Iin相等時(shí)，S1 關(guān)斷，S2的反并聯(lián)二極管關(guān)斷。

(f)電容放電階段［t5，t6］

t5時(shí)刻開始，電容Cr 線性放電至電壓為0，D2導(dǎo)通，Cr 被短路，回到初始狀態(tài)，等待主管被觸發(fā)開始下一周期。

Boost 型ZCS－PWM的時(shí)域波形圖如圖11 所示。在這種變換器中，可實(shí)現(xiàn)恒頻率運(yùn)行，電壓應(yīng)力比較小，但二極管的電壓應(yīng)力較大，在重載情況下可能失去ZCS 條件。

4 零轉(zhuǎn)換PWM 變換器

由上述分析可知，ZVS－PWM 和ZCS－PWM 變換器已很接近理想特性，但它們的零開關(guān)條件和電源電壓及負(fù)載電流的變化范圍有關(guān)，在某些重載或輕載的特殊情況下可能失去零開關(guān)條件。為了解決這一問題，零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT:Zero Voltage Transition)和零電流轉(zhuǎn)換(ZCT:Zero Current Transition)軟開關(guān)技術(shù)相應(yīng)出現(xiàn)。

4.1 ZVT－PWM 變換器［31－35］

圖12為基本的boost 型ZVT－PWM 變換器拓?fù)?，其一個(gè)工作周期分為5個(gè)工作狀態(tài)，如圖13 所示。其工作過程如下:

(a)電感充電階段［t0，t1］

t0時(shí)刻之前，主管S1 和輔管S2 關(guān)斷，D0 導(dǎo)通，輸入電流流經(jīng)D0 向負(fù)載供電。在t0時(shí)刻，觸發(fā)輔管S2 導(dǎo)通，iLr電流線性上升。t1時(shí)刻，iLr上升到輸入電流，D0 關(guān)斷。

(b)諧振階段［t1，t2］

t1時(shí)刻D0 關(guān)斷，Cr、Lr 諧振。t2時(shí)刻，諧振電流達(dá)到最大值，Cr 電壓為零時(shí)，D1 導(dǎo)通，此時(shí)使S1零電壓開通。

(c)放電階段［t2，t3］

t2時(shí)刻，使S2 關(guān)斷，由于Lr 中電流不能突變，其端壓瞬時(shí)反向并使D3 導(dǎo)通，恒壓放電。在t3時(shí)刻，諧振電感電流減小到輸入電流時(shí)，D1 關(guān)斷，S1的電流迅速線性上升至輸入電流，iLr為零，D3 關(guān)斷。

(d)電容恒流充電階段［t3，t4］

t3時(shí)刻，D3 關(guān)斷，可使主管S1 零電壓關(guān)斷，向諧振電容Cr 恒流充電。t4時(shí)刻，Ucr 達(dá)到輸出電壓，D0 導(dǎo)通。

(e)續(xù)流階段［t4，t5］

t4時(shí)刻D0 導(dǎo)通，輸入電流經(jīng)主管D0 續(xù)流，一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束，等待下一周期輔管S1 被觸發(fā)。

Boost 型ZVT－PWM的時(shí)域波形圖如圖13(f)所示。在這種變換器中，可實(shí)現(xiàn)恒頻率運(yùn)行，電壓應(yīng)力比較小，主管電壓與電流無(wú)重疊。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，現(xiàn)代電力電子技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)高功率和高功率密度，以及進(jìn)一步小型化，開關(guān)頻率需要進(jìn)一步提高。在硬開關(guān)狀態(tài)下工作，開關(guān)管不是理想器件，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的損耗隨著開關(guān)頻率的增加而增加，從而給裝置的小型化帶來(lái)了困難。因此，采用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗、承受的耐壓以及電磁干擾，進(jìn)一步提高開關(guān)頻率是非常重要和關(guān)鍵的。本文對(duì)軟開關(guān)技術(shù)中的準(zhǔn)諧振變換電路、零開關(guān)PWM 變換電路和零轉(zhuǎn)換PWM 變換電路進(jìn)行了分析和總結(jié)，為軟開關(guān)技術(shù)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)提供了分析方法和思路，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開發(fā)性能更優(yōu)良的變換器打下基礎(chǔ)。

［1］張肱霈，黃念慈.一種經(jīng)濟(jì)型無(wú)源ZVS BOOST 變換器的設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005，27(01):48－50.

［2］曹文，楊育霞.基于ZVS QRC Boost 電路仿真研究［J］.通信電源技術(shù)，2008，25(4):15－17.

［3］趙紅茹，吳捷.準(zhǔn)諧振變換器的建模與性能分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，31(7):1－5.

［4］石季英，張紅穎，吳俊昭，楊亮.零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振SEPIC 變換器的仿真設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2003，20(12):30－32.

［5］郭炯杰.一種零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)電源［J］.沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，8(1):5－13.

［6］李鑫，李乃文，楊楨，楊鵬.零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振Boost 變換器的無(wú)源控制［J］.電力電子技術(shù)，2012(2):15－17.

［7］Hang－Seok，Cho Choi，B.H.Zero－ current－ switching(ZCS)power factor pre－regulator (PFP)with reduced conduction losses［A］.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition－ APEC［C］.2002，v2:962－967.

［8］白三中，黃念慈.一種新型的ZVS PWM MR Boost 變換器［J］.電源世界，2007(5):14－16.

［9］雷靜靜，張建峽.兩種新型移相全橋ZVS－PWM 變換器拓?fù)涞谋容^［J］.現(xiàn)代機(jī)械.2011(5):45－47.

［10］劉長(zhǎng)清，王維俊，卓祖訊，田元軍.基于Saber的ZVS PWM Boost 變換器的分析與仿真［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30(5):88－91.

［11］曾慶虹，邢曉芬，謝建生.一種改進(jìn)型ZCS－PWM 變換器的仿真研究［J］.儀表技術(shù)，2007(2):55－57.

［12］楊楓.基于Matlab的ZCS PWM DC/DC 變換器的建模及仿真［J］.電子科技，2010，23(10):33－35.

［13］Hatanaka Yoshihiro，Yamagami Masahum，Kubo Toshisuke，Osakabe Masahiro，Nakaoka Mutsuo.High frequency inverter and DC－ DC converter with ZCS－ZVS mode ［A］.IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference)［C］.v1.1991.

［14］Wang Chien－ Ming，Hsieh Guan－ Chyun.Full－ wave boost rectifier by ZCS－PWM control with reduced conduction losses［A］.IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference)［C］.1997，v2:856－861.

［15］Fuentes R.C，Hey H.L.Improved ZCS－PWM commutation cell for IGBT＇s applications［A］.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition－ APEC［C］.1997，v2:805－810.

［16］Fuentes Rodrigo Cardozo.Hey Helio Leaes.Improved ZCS－ PWM commutation cell for IGBT＇s application［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(5):939－948.

［17］de O.Stein Carlos M，Pinheiro Jose R，Hey Helio L.Application of the ZCS auxiliary commutation circuits in an interleaved boost converters operating in critical conduction mode［A］.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition－ APEC［C］，2000，v2:729－734.

［18］Wakabayash F.T，Bonato M.J，Canesin C.A.Novel high－ power－ factor ZCS－ PWM preregulators［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48(2):322－333.

［19］Wang Chien－Ming.A new single－phase ZCS－PWM boost rectifier with high power factor and low conduction losses［A］.Conference Proceedings－ IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition－ APEC［C］，2004，v3:1458－1464.

［20］Wang Chien－ Ming.ZCS－ PWM boost rectifier with high power factor and low conduction losses［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2004，40(2):650－660.

［21］Wang Chien－Ming，Su Juing－Huei，Yang Chia－Hao.Improved ZCS－ PWM commutation cell for IGBTs application［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2004，40(3):879－888.

［22］Wang Chien－ Ming.Novel zero－ current－ switching(ZCS)PWM converters［A］.IEE Proceedings:Electric Power Applications［C］.March 2005.

［23］Wang Chien－Ming.A novel ZCS－PWM power－factor preregulator with reduced conduction losses［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(3):689－700.

［24］Wang Chien－ Ming.A new family of zero－ current－switching (ZCS)PWM converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(4):1117－1125.

［25］Wang Chien－Ming.A new single－phase ZCS－PWM boost rectifier with high power factor and low conduction losses［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(2):500－510.

［26］Qin Ling，Xie Shaojun，Zhou Hui.A novel family of PWM converters based on improved ZCS switch cell［C］.PESC Record－ IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，2007:2725－2730.

［27］Chen Jiann－Fuh，Chen Ren－Yi，Liang Tsorng－Juu.Study and implementation of a single－ stage current－fed boost PFC converter with ZCS for high voltage applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(1):379－386.

［28］Wang Chien－Ming.A novel ZCS－ PWM flyback converter with a simple ZCS－PWM commutation cell［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(2):749－757.

［29］A.Joseph，Natarajan Basanth S.P.，Sivakumaran T.S.Development of fuzzy controller for ZCS quasi－resonant LUO converter［C］.2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications－PESA，2009.

［30］Subrahmanya Kumar Bhajana V.V，Rama Reddy S，Chandra Sekhar P.A novel ZVS－ ZCS Bi－ directional flyback DC－ DC converter for low power application［A］.Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems ［C］，2011:507－512.

［31］史立生，趙振東，陳麗敏.升壓式ZV T2PWM 軟開關(guān)變換技術(shù)研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25(3):93－97.

［32］李一鳴.基于Pspice的Boost－ZVT 變換器的仿真研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，23(3):34－38.

［33］C.C.)，Young Wu，C.M.ZVT－PWM AC－DC boost converter with ZCS auxiliary circuit［J］.Electronics Letters，2002，38(10):442－443.

［34］薄傳海，李良光，汪舒生.一種新型的BOOST ZCT－PWM 變換器［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007(9):147－149.

［35］李雪莉，胡金輪.改進(jìn)型Boost ZCT－PWM 變換器的研究及仿真分析［J］.科技信息，2010(18):363－365.