电源软开关技术及常见软开关拓扑结构
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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(jìn)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。 |
