零電壓開關簡介

零電壓開關（ZVS）/零電流開關（ZCS）技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到80%~85%。20世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。

PWM開關電源按硬開關模式工作（開/關過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊），因而開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關損耗卻更大了。為此，必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓開關（ZVS）/零電流開關（ZCS）技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到80%~85%。20世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。隨后新的軟開關技術不斷涌現，如準諧振（20世紀80年代中）全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM（上世紀80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM（20世紀90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（20世紀90年代中）等。我國已將最新軟開關技術應用于6kW通信電源中，效率達93%。

零電壓開關準諧振電路

將開關Sl同電容Cl并聯，就構成了零電壓（ZVS）開關。原理框圖如圖11.17：同樣，依據開關中電流的流向分為半波型和全波型。諧振型開關技術解決了常規的PWM開關電路在開關切換時開關管損耗過大的問題。諧振型開關在零電流和零電壓時進行切換，大大減小了切換損耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的問題。諧振型開關轉換技術分為諧振、準諧振、多諧振三種，這里不一一舉例。

諧振型開關轉換技術特點是不需要增加額外功率開關管實現單管變換器開關管零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）。這類變換器不同于脈寬調制（PWM）技術，有器件應力高、循環能量大和變頻控制等缺點。此外，由于諧振電源中傳輸的是正弦波，PWM電路中傳輸的是方波，正弦波包含的能量沒有方波高。經過諧振型開關電源減低了開關損耗，可是傳遞的能量也下降了，所以整體轉換效率并不比PWM電路高多少。人們希望將兩種拓撲結構結合起來。首先利用脈寬調制提供方波電壓、電流，對于同樣的電流，不僅提供更多的功率，同時開關管保持較低的導通損耗。

其次，利用零電壓諧振技術，在開關管上的電壓達到零以后再轉換。然后再改變兩組方波之間的相移進行控制，電路工作在恒定的開關頻率上，這種相移零電壓技術，采用全橋變換器很容易實現。全橋變換的好處是利用4個晶體管可以方便地實現ZVT或ZCT，同時可輸出大的功率，這是多管隔離型直流變換器得到廣泛應用的原因。

零電壓準諧振開關電路

1、準諧振電路結構

主開關電路為零電壓半波準諧振升壓變換器，如圖2所示。

設計零電壓準諧振電路有兩種方式：一是全波型，二是半波型。零電壓準諧振電路的全波型比半波型多串聯了一個反向二極管。在開關過程中，全波型串聯二極管起到反向電流阻止作用，但開關中的結電容的能量在開關關斷期間被儲存，在開關導通期間承受電容導通的損耗，這在高頻下工作是不利的，所以準諧振變換器的方式，在高頻情況下一般選擇零電壓半波準諧振變換器電路。

2、基本工作原理

準諧振變換器的特性受諧振電路中Lr、Cr的影響很大，分析工作原理時，需引入下述參數：特性阻抗規一化開關頻率規一化負載電阻諧振角頻率

電壓變比n=UO/Ui

零電壓半波準諧振變換器，在穩態工作下，一個完整的開關周期可分為四個階段，其等效電路如圖3所示。

將輸入部分看作恒流源Ii，輸出負載部分看作電壓負載UO，零電壓準諧振變換器典型波形如圖4所示。

零電壓開關技術的應用

對降壓穩壓器的關鍵要求通常是尺寸和效率。由于印制電路板面積彌足珍貴，哪個設計人員也不愿意分配額外的空間給功率設計方案。此外，由于單片機和數字信號處理器（DSP）不斷推陳出新，電路板設計方案也不斷升級，盡管功率有所增加，但產品尺寸卻不能增大了。因此，高密度穩壓器便隨著最新IC集成度的提高、MOSFET技術的提升及封裝工藝的改良而不斷發展。縱使這樣，這些穩壓器還是無法滿足新系統的應用要求。尤其是系統內部的功率密度正日益提高。其主要原因是開關損耗阻礙穩壓器MOSFET的內部性能。如果不從根本上解決這些損耗問題，那么只能期望一些微小的性能提升。