直流开关电源的软开关技术及其新发展.docx

直流开关电源的软开关技术及其新发展作者单位：苏州科技大学作者姓名：殷荣进摘　要：介绍了直流开关电源的软开关技术及其新发展, 提出了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势的结论。 关键词：谐振变换器;零开关变换器;零转换变换器;组合软开关技术 1.引言　　近年来, 电力电子技术发展迅猛, 直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今, 笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性,减小体积和重量, 必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积, 增大了变换器的功率密度和性能价格比, 而且极大地提高了瞬时响应速度, 抑制了电源所产生的音频噪声, 从而已成为新的发展趋势。 　　然而功率变换器开关频率的进一步提高将受以下因素的限制: ①在通断瞬间切换过程中, 功率器件的开关应力。②开关损耗。③剧烈的d i/ d t 和d u/ d t 冲击及其产生的电磁干扰(EMI) 。 　　软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。 　　为此先后有人提出了谐振变换器( resonantconverter) , 准谐振变换器(quasi resonant converter)和多谐振变换器(muti resonant converter) , 零开关PWM 变换器(zero switching PWM converter) , 零转换PWM变换器(zero transition PWM converter) 及无源无损缓冲电路(passive lossless snubber circuit) 等多种软开关技术。 2.直流开关电源的软开关技术及其新发展　　2.1谐振变换器　　谐振变换器实际上是负载谐振变换器, 在20世纪70 年代最早被提出来, 它通过在标准PWM变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到。按照谐振元件的谐振方式, 可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类; 按负载与谐振电路的连接关系, 又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振, 使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形, 开关元件在电流或电压的过零处开通或关断, 实现软开关过程。2.2准谐振变换器和多谐振变换器　　20 世纪80 年代初, 美国弗吉尼亚电力电子中心(UPEC) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关, 即在基本PWM 开关上增加一些谐振元件,它也是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合, 谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM 开关串联, 利用电感中谐振电流过零点时, 使开关零电流关断; 零电压谐振开关是将谐振电容与PWM 开关并联, 利用电容两端谐振电压过零点时, 使开关零电压开通。它们各有L 型和M 型两种电路方式, 而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通, 又可分为半波模式和全波模式, 如表所示。谐振开关实现了软开通或关断, 减少了开关损耗, 但其开关器件的通态电流或断态电压应力大。因开关器件工作频率不恒定, 为保持输出电压在各种条件下基本不变, 必须采用变频控制方法, 然而该控制方式比PWM变换器复杂, 而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计, 实现最优设计困难。因此, 谐振开关一般应用在小功率低电压而且对体积和重量要求十分严格的场合, 比如宇航电源和程控交换机的DC-DC 电源模块。 　　此外, 根据谐振软开关技术原理, 人们还提出过在PWM开关内综合准谐振零电流和准谐振零电压的多谐振开关, 它一般能实现开关管的零电压开关, 但还是只能采用频率控制方法。实际常常用零电压多谐振变换器, 主要是因为它吸收了开关管和整流二极管的结电容, 同时实现了开关管和整流二极管零电压开关, 而且它的开关管的电压应力与零电压准谐振相比要小得多。2.3零开关PWM变换器　　零开关PWM 变换器包括零电压PWM 变换器和零电流PWM变换器, 它们是在准谐振软开关的基础上, 加入一个辅助开关管, 来控制谐振元件的谐振过程, 实现PWM 控制。它只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用PWM 工作方式, 从而既能克服硬开关PWM 在开关过程中的三大缺陷, 又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。　　文献1提出一种新颖的混合式全桥PWM变换