摘要

1基本ZVS拓撲介紹

2原始ZVS拓撲及存在問題分析

3目前使用的改進型ZVS拓撲結(jié)構(gòu)

1 基本ZVS拓撲介紹

軟開關(guān)的由來和基本概念

1 產(chǎn)生原因

1） 目前電子變換技術(shù)的發(fā)展方向

高頻化（小型化、輕量化）、大容量化、高性能化

2）技術(shù)發(fā)展帶來的問題

高頻與大容量化→裝置內(nèi)部電壓、電流變化；開關(guān)器件應力、電磁干擾

開關(guān)器件非線性→產(chǎn)生諧波、輸入電流波形失真；工作和不控整流；功率因素降低等

3） 解決方法

抑制EMI→軟開關(guān)諧振變化技術(shù)

減小諧波→諧波補償和PWM調(diào)制技術(shù)

2 軟開關(guān)的概念

1）開關(guān)管硬開關(guān)動作

如圖所示，由于功率器件的開關(guān)過程不是瞬時完成的，在開關(guān)過程會存在電壓和電流重疊的時候，此刻就為開關(guān)直接開關(guān)的情況下的功率損耗情況，可以看出此時的損耗是相當大的。

2）軟開關(guān)動作

軟開關(guān)的發(fā)展及分類

1 根據(jù)軟開關(guān)的發(fā)展歷程可將軟開關(guān)電路大致分為一下幾類：

1）準諧振電路

ZVS QRC;ZCS QRC;ZVS QRC; Resonant DC Link(用于逆變器的諧振直流環(huán)）。諧振電路中的電壓或電流波形為正弦半波稱為準諧振。

作用：減小開關(guān)損耗和降低開關(guān)噪聲

危害：諧振峰值電壓高，要求開關(guān)應力大，諧振電流有效值大，通態(tài)損耗大，諧振周期隨輸入電壓、負載變化而變化，變頻不好控制。

2）零開關(guān)PWM電路

ZVS PWM; ZCS PWM。

較諧振電路相比，該電路電流和電壓基本上是方波，有較緩的上升和下降斜率，開關(guān)應力低，恒頻率控制方便。

3）零轉(zhuǎn)換PWM電路

ZVT PWM;ZCT PWM

2 軟開關(guān)的發(fā)展趨勢

1）普遍性

2）開關(guān)頻率高，重新利用諧振電路

3）組合簡單電路獲得高性能電路結(jié)構(gòu)

2 原始ZVS拓撲及存在問題分析

基本的ZVS變換拓撲

要實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須有足夠的能量來：1）抽走將要開通的開關(guān)管結(jié)電容上的電荷；2）給即將關(guān)斷的開關(guān)管結(jié)電容充電；3）同時要考慮變壓器初級繞組的寄生電容上的電荷。

即所需的能量為：

式中Ci為開關(guān)管的結(jié)電容，CTr為變壓器初級繞組的寄生電容，Ui為輸入電壓。

超前橋臂實現(xiàn)ZVS相對來說比較容易，滯后橋臂實現(xiàn)起來相對困難一些。

滯后橋臂ZVS實現(xiàn)的條件相對惡劣，原因是由于在滯后橋臂開關(guān)管交換開通時，副邊的整流二極管處于換流階段，兩二極管同時開通，是變壓器副邊短路，使原邊電壓箝位在0，原副邊隔離無能量流通，此時滯后橋臂開關(guān)管結(jié)電容的充放電全靠變壓器漏感中能量實現(xiàn)。

解決辦法：

1）增大電流（勵磁電流），

2）增大諧振電感。

另外，還涉及到一個占空比丟失的問題，在原邊電壓換向的時刻，電壓已經(jīng)換向，但電流卻是與電壓相反的方向，此時電壓要對諧振電感作用，使其電流迅速下降并反向增大，在此過程中，當原邊電流小于副邊濾波電感電流時，不向副邊功能，因此稱為占空比丟失。以前的解決辦法就是減小變壓器原邊與副邊的變比，但這也會帶來新的問題。

為此提出了新的解決滯后橋臂ZVS實現(xiàn)的方案。

3目前使用的改進型ZVS拓撲結(jié)構(gòu)

改進的ZVS變換拓撲

為了改進之前所述基本移相的ZVS全橋拓撲存在的缺點，后面使用過程中提出了一種能改善滯后橋臂ZVS范圍的結(jié)構(gòu)。如下圖所示。

圖2 改進的移相ZVS全橋結(jié)構(gòu)

改進的ZVS拓撲優(yōu)缺點分析：

優(yōu)點:不僅拓寬了結(jié)構(gòu)拓撲滯后橋臂在輕載條件下零電壓開關(guān)的實現(xiàn)，降低了開關(guān)損耗，還消除了副邊整流二極管的電壓震蕩，縮短了其反向回復時間，提高了結(jié)構(gòu)的效率。

缺點：引進了兩二極管增加了傳導損耗，二極管的反向恢復嚴重。

二極管反向恢復問題

圖3 二極管反向恢復特性曲線

二極管在開關(guān)電源中應用非常之多，由于開關(guān)電源通常工作在高頻條件下，這樣二極管就會迅速開通和關(guān)斷，在其快速開通和關(guān)斷條件下，難免會產(chǎn)生較高的電壓尖峰和開關(guān)損耗，這就叫反向恢復現(xiàn)象。

一般的二極管就一PN結(jié)（肖特基除外）。PN結(jié)結(jié)構(gòu)的二極管，其P區(qū)、N區(qū)都有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子，PN結(jié)內(nèi)的載流子都存在著擴散運動和飄移運動。擴散運動是由載流子濃度不同而引起的；漂移運動則是因電場作用引起的。二極管兩端加正電壓時，擴散運動超過飄移運動 ,P 區(qū)與 N 區(qū)的多數(shù)載流子都不斷地 向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散,并在對方 區(qū)域中有相當數(shù)量的存儲。此時,若在二極管兩端突加反向電壓,PN 結(jié) 內(nèi)的飄移運動超過擴散運動,上述的存儲電荷在電場的作用下將回到己方區(qū)域 ,或者被復合掉 ,這樣就產(chǎn)生了一個反向電流。

在這一反向電流的作用下,存儲電荷被全部掃出,PN結(jié)交界處耗盡層的勢壘高度增加,反向電流給二極管并聯(lián)寄生電容充電,二極管 電壓開始反向增大。電容電壓達到一定值后,反向電流減少為二極管的反向飽合電流值IR ,二極管反向恢復的過渡過程結(jié)束。在這一過程中,反向電流( 最大值記為IRM) 在二極管內(nèi)產(chǎn)生反向恢復損耗 ,反向電流如果流過電路中其它元件 ,還會產(chǎn)生附加損耗 。又由于二極管串聯(lián)寄生電感和并聯(lián)寄生電容的作用,二極管兩端會產(chǎn)生較高的反向電壓浪涌。

圖4 二極管反向恢復等效電路

解決功率二極管反向恢復的方法

為解決功率二極管反向恢復問題已經(jīng)出現(xiàn)了很多種方案。一種思路是從器件本身出發(fā) ,尋找新的材料力圖從根本上解決這一問題 ,比如碳化硅二極管的出現(xiàn)帶來了器件革命的曙光 ,它幾乎不存在反向恢復的問題 。另一種思路是從拓撲角度出發(fā) ,通過增加某些器件或輔助電路來使功率二極管的反向恢復得到軟化。目前 ,碳化硅二極管尚未大量進人實用 ,其較高的成本制約了普及應用 ,大量應用的是第二種思路下的軟化電路。

增加輔助元器件來抑制反向恢復

圖5 幾種解決二極管反向恢復常用方法

考慮箝位二極管反向恢復的ZVS移相全橋拓撲

圖6 串入復位繞組ZVS移相全橋拓撲

圖7 加入輔助變壓器的ZVS移相全橋

圖8 用MOSFET替代二極管副邊加緩沖電路的ZVS移相全橋

圖9 加入輔助變壓器用MOSFET替換二極管的的ZVS移相全橋