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Pwm变换器中的软开关技术
Guichao Hua and Fred C. Lee, Fellow, ZEEE
最近，一些软开关脉冲宽度调制(PWM)变流器技术被提出，旨在结合传统PWM和谐振变流器的优点，同时避免各自的局限性。本文三个类的零电压软开关PWM变换器(即问世——切换(ZVS) quasi-square-wave转换器,ZVS-PWM转换器,和zero-voltage-transition PWM转换器)和两类零电流软开关PWM变换器(即zero-current-switched PWM转换器和zero-current-transition PWM转换器),和评估他们的优点和局限性。给出了几种转换器样机的实验结果，以说明每一类转换器。
Ⅰ.介绍
随着人们对体积更小、重量更轻、效率更高的电源的要求越来越高，开关模式功率转换技术已经从基本的PWM变换器发展到谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器，最近又发展到软开关PWM变换器。PWM变流器通过突然切换的方式中断功率流来处理功率。这种硬开关操作会导致显著的开关损耗、开关噪声和开关应力，特别是在高频时。为了改善PWM变换器中半导体器件的开关条件，提出了几种谐振技术。谐振变换器包括传统的串并联谐振变换器、e类变换器[11]、准谐振变换器(QRCrsquo;s)[2]、[3]、161和多谐振变换器141-[7]，处理功率为正弦或准正弦形式。功率开关可与零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)进行交换，因此与PWM变换器相比，谐振变换器的开关损耗和应力大大降低。然而，由于电流和电压波形的谐振性质，谐振变换器的运行通常涉及高循环能量，导致导通损耗[8]大幅增加。此外，由于线载范围宽，大多数谐振变换器工作在宽开关频率范围内，使得电路设计难以优化。
为了在不显著增加循环能量的情况下实现软开关，各种软开关PWM变换器技术被提出，作为PWM与谐振技术的折衷。一般而言，软开关变换器利用某种形式的谐振技术来软化开关跃迁。当开关转换完成后，变换器又恢复到熟悉的PWM工作模式，从而使循环能量降至最低。因此，开关损耗降低的代价是传导损耗的最小增加。
本文三个类的操作原理问世的软开关PWM变换器(包括ZVS quasi-square-wave转换器(QSC) [9] - [11], ZVS - PWM转换器[12][14],和zero-voltage-transition (ZVT) PWM转换器[15]-[22])和两类零电流软开关PWM变换器(包括ZCS-PWM转换器[21],[23],[24],和zero-current-transition (ZCT) PWM转换器[21],[26]),并比较了它们的优缺点。给出了几种样机的实验结果。
Ⅱ. 零电压软开关PWM变换器
各种研究表明，在以功率MOSFET作为功率开关的高频功率转换中，ZVS是首选的工作模式。在本节中，我们将介绍三种零电压软开关PWM变换器，即ZVS-QSC变换器、ZVS-PWM变换器和ZVT-PWM变换器。
A.准方波变换器
在 ZVS-QRC 中，采用谐振电感实现有源开关的软开关。要求谐振电感具有足够的大小以储存足够的能量来放电器件的结电容。零电压开关在轻负载下难以实现。然而，在 ZVS-QSC 中，利用滤波电感作为谐振电感来实现功率开关的 ZVS。给出了 buckZVS-QSC 的电路图和关键波形。1，其中 c 是谐振电容，集成了晶体管的输出电容，S1 用于恒定频率和双向功率流。这个转换器的详 细操作见[lo]，[Ill]。
Zvs-qsc 的特点概述如下:
优点:
两个晶体管的 ZVS，最小开关电压应力:
两个开关都受到最小的电压应力，相同的，在他们的 PWM 对应。这是一个非常理想的高频转换功能，其中 MOSFET 的使用，因为功率 MOSET 的赞成 ZVS 工作模式，其导通电阻是强烈依赖于他们的 电压额定值。
双向电力流动:
因为 ZVS-QSC 中的两个开关都是双向开关，所以放置在与 MOSFET 的和一个第二，快速恢复，二极管被放置在反平行的 MOSFET 的[111。展示了一个为美国宇航局 EOSsatel-lite[Ill.]设计的四模块多相 ZVS 双向电池充电器/充电器。输入为 120v 调节总线，输出为电池。根据放电深度的不同，电池电压在 64-84v 之间变化。最大负载为 1800w，由于交错结构，输入输出电流波动大大减小。在充电模式和放电模式下，全负载时转换器的效率都在 96%以上。
B.乙零电压-脉宽调制转换器
Zvs-qrc 技术消除了 PWM 变换器和 ZCS-QRC 的电容开通损耗[3]。然而，ZVS-QRC 技术有几个局限性。首先，电源开关在一个单端 ZVS-QRC 遭受过度的电压应力，这是成正比的负载范围。其次，ZVS-QRC 需要一个宽的开关频率范围，以便在较宽的输入电压和负载范围下工作。宽频率范围使得电力变压器、低压滤波器和控制电路的优化设计变得困难。Zvs-qrc 技术的另一个局限性是谐振电感和二极管结电容之间存在严重的寄生振铃，这导致了开关噪声的增加和闭环系统可能的不稳定性[4]。
Zvs-PWM 变换器可以看作是 ZVS-QRC 和 PWM 变换器的混合电路。在 ZVS-QRC 谐振电感上加一个辅助开关，可以得到一个 ZVS-PWM 变换器。作为例子，3 给出了 ZVS-
PWMbuck 变换器的电路图和关键波形，其中 l 为谐振电感，
S1 为辅助开关。这个转换器的详细操作见[12]。辅助开关的使用实质上在准谐振操作中创造了一个自由转动阶段(T1T2)。这种额外的自由放任阶段的好处是双重的。首先，它通过控制这个自由转动阶段的时间间隔来实现恒频操作。其次，自由转动阶段可以占据一个周期的相当大的一部分，使所提出的电路类似于一个传统的 PWM 变换器。谐振操作只只要在 ZVS-QRC 的谐振电感器上加一个辅助开关，ZVS-QSC 很自然地适用于双向变流技术。例如，1 中 发生在一个周期的一小部分，并只用于创建一个 ZVS 条件 所示的电路可用于电池充放电[113。 的电源开关。通过这种方式，可以显著降低 ZVS-QRC 运行。
缺点: 所需的循环能量。
高晶体管峰值电流:
为了实现零电压开关，主开关的峰值关断电流必 就可以得到一系列的 ZVS-PWM 变换器。Zvs-pwm 变换须比其对应的 PWM 开关高两倍以上。 器的优点和缺点总结如下:
优点:
电源开关 ZVS,
电源开关的小电流应力。
缺点:
变压器漏电感没有被利用 电源开关的高压应力:
因此，与PWh4 相比，开关的导通损耗增加了约 40%。此外，主开关的高关断电流有增加关断损耗的趋势。这种技术被认为是不可取的时候，少数载波电源设备，
如 IGBT 和 BJT 的，被用作电源开关。
高输入输出电流纹波。 单端 ZVS-PWM 变换器的一个局限性是功率开关受上图所示的 ZVS-QSC 的一个很好的应用是用于电池的充 到高电压的影响放电。由于 ZVS，MOSFET 体二极管自然换向，不会出现反向恢复问题。然而，正确实施传统的双向转换器，需要一个二极管与所处载荷范围成比例的应力。应力是成正比的负荷范围下，ZVS 是维持[12]。
整流二极管的运行不具有良好的开关条件。在 ZVS-PWM 变换器家族中，一个特殊的成员是著名的全桥(FB)ZVS-PWM 控制器[13]，[14]，这个变换器与 FBzvs-qrc 具有相同的拓扑结构。然而，它的工作不同于后者是使用移相控制，这实际上创造了一个额外的自由运转阶段，在此期间，谐振电感电流通过上或下两个开关。在这种特殊的拓扑结构中不需要辅助开关。作为一种桥式变换器，这种变换器中的功率开关所受到的电压应力与 PWM 变换器相同。Fb-zvs-pwm 变换器被认为有利于许多大功率 转换应用。
例如，4 显示的功率级电路图 100 千赫，8 千瓦 FB-ZVS-PWM 变换器与有源箝位[14]。面包板转换器的规格如下: 输入电压 Vi325-400v,
输出电压，vo360v 完全隔离，输出功率 po8kw。实验结果表明，由于采用了移相控制和零电压开关 (ZVS)工作，所有的一次波形都比较清晰。此外，由于有源箝位网络的使用，次级波形也没有寄生振荡。实测转炉全负荷转炉效率为 95.8%。
零电压转换PWM变换器
谐振型拓扑(以及 ZVS-PWM 和 ZCS-PWM 变换器拓扑) 的一个共同特点是，它们都采用与功率开关或整流二极管串联的谐振电感来形成开关电压波形。软开关是利用这种谐振电感与某些谐振电容之间的谐振实现的，这些谐振电容通常与半导体器件并联。由于这些谐振元件被放置在主功率通路中，所以产生的谐振变换器总是存在固有的问题。首先，由于谐振电感受到双向电压的影响，不可避免地在半导体器件上产生附加的电压应力。其次，由于所有的功率都通过谐振电感，因此总是产生大量的循环能量，这大大增加了导通损失。此外，存储在谐振电感中的能量强烈地依赖于线路电压和负载电流。因此，软开关条件对线路电压和负载电流的变化很敏感。这就是为什么大多数谐振变换器
不能维持软开关线路和负载范围。
为了减轻上述限制，有必要将谐振元件从主功率通路中移除。代替使用串联谐振元件，一个替代的方法是使用一个跨越电源开关的并联谐振网络。当切换过渡时，并联谐振网络被激活以产生部分谐振来实现零电压开关或零电流开关。当切换过渡结束时，电路简单地回复到熟悉的 PWM 工作模式。这样，变换器可以实现软开关，同时保留了 PWM 变换器的优点。实际上，上述提出的使用并联谐振网络的概念已经被应用于 ZVT-PWM 和 ZCT-
PWM 变换器[151，[161，[24]。
在各种零电压软开关 PWM 技术中，最近发展起来的 zvt-PWM 技术被认为是最理想的。通过使用辅助分流网 络,
Zvt-pwm 变换器实现了晶体管和整流二极管的软开关，同时最大限度地减小了它们的开关量
路图及其实验波形。
电压和电流应力[15]-[20]。这是第一次提出的技术，实现软开关在 PWM 变换器中没有施加附加的开关电压和电流应力或导通损耗。
作为实例，给出了升压型 ZVT-PWM 变换器的电路图和关键波形。它不同于传统的升压 PWM 变换器，具有一个附加的并联谐振网络，包括一个谐振电感(amp;)、一个辅助开关(Sl)和一个二极管(Dl)。是谐振电容，它包含了功率开关的输出电容和整流器的结电容。这个转换器的详细操作在[16]中有描述。
对 ZVT-PWM 升压变换器的特点进行了总结:
优点:
晶体管和整流二极管的软开关:
除了功率开关外，ZVT-PWM 变换器中的整流二极管也与 ZVS 整流。这一特性使得 ZVT-PWM 技术在高压变换应用中特别具有吸引力，因为整流二极管会遭受严重的反向恢复问题。例如，在 PFC 升压电路中，功率开关和整流二极管都承受高电压。由于少数载波整流二极管的反向恢复，使得传统的 PWM(ZVS-QRC)或 zvs-PWM(zvsPWM)技术中的开关损耗、EM1 噪声和器件故障问题
更加突出。因此，在这样的电路中实现晶体管和整流 二极管的软开关特别值得[16]-[20]。
最小开关电压和电流应力:
在 ZVT-PWM 变换器中，除了在 ZVS 过渡期间的开通和关断开关区间外，开关的电压和电流波形基本上是方波。功率开关和整流二极管都承受最小的电压和电流应力。此外，ZVT 时间间隔可以非常短相对于新的转换器类似的升压 PWM 转换器在大部分周期。因此，实现零电压的循环能量是最小的。此外，一个小电流 MOSFET 可以用作辅助开关，因为它只处理少量 的共振跃迁能量。
宽线路和负载范围的软开关:
Zvs-qrc 和 ZVS-PWM 技术的一个缺点是 ZVS 条件强烈依赖于负载电流和输入电压。在轻负荷或高负荷时，ZVS 通常很难维护[12]。这种情况在 ZVT-PWM 变换器中是相反的。只要 ZVT 变换器被设计成在满负载和低线路
上进行软开关，整个负载和线路范围的软开关操作将 得到保证[15]，[16]。
缺点:
未使用的变压器漏电感:
与 ZVS-QSC 技术类似，隔离型 ZVT-PWM 变换器的局限性在于它们没有利用电力变压器的泄漏。因此，变压器的设计应该使漏电量最小。
辅助开关硬切换:
Zvt-pwm 技术的一个局限性是辅助开关不采用软开关工作。然而，辅助谐振支路的操作所涉及的开关损耗通常比 PWM 变换器低得多。首先，发生在 ZVT-PWM 变换器中的主要开关损耗是辅助开关(S1) 的容性开通损耗。由于 S1 只处理低得多的均方根电流，因此它比 PWM 变换器中主开关的电容开通损耗低得多，因此一个输出电容较低的小型 MOSFET 可以用作 S1。如果用 MOSFET 实现 S1，则 S1 的关断损耗可以忽略不计，且其栅极驱动阻抗足够低。其次，ZVT-PWM 变换器的辅助二极管始终与 ZCS 一起工作。因此，它不会遭遇逆向恢复问题。然而，对于 PWM 变换器，在使用 p-n 结二极管的高电压应用中，整流二极管的反向恢复损耗通常主导总开关损耗。由于这个原因，ZVT-PWM 变换器被认为是特别有吸引力的高电压应用，其中
整流二极管的反向恢复问题是重要的关注。图 6
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