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拓撲結構

1 基本ZVS拓撲介紹

軟開關的由來和基本概念

1 產生原因

1） 目前電子變換技術的發展方向

高頻化（小型化、輕量化）、大容量化、高性能化

2）技術發展帶來的問題

高頻與大容量化→裝置內部電壓、電流變化；開關器件應力、電磁干擾

開關器件非線性→產生諧波、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→軟開關諧振變化技術

減小諧波→諧波補償和PWM調制技術

2 軟開關的概念

1）開關管硬開關動作

如圖所示，由于功率器件的開關過程不是瞬時完成的，在開關過程會存在電壓和電流重疊的時候，此刻就為開關直接開關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）軟開關動作

軟開關的發展及分類

1 根據軟開關的發展歷程可將軟開關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）。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：減小開關損耗和降低開關噪聲

危害：諧振峰值電壓高，要求開關應力大，諧振電流有效值大，通態損耗大，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，開關應力低，恒頻率控制方便。

3）零轉換PWM電路

ZVT PWM;ZCT PWM

2 軟開關的發展趨勢

1）普遍性

2）開關頻率高，重新利用諧振電路

3）組合簡單電路獲得高性能電路結構

2 原始ZVS拓撲及存在問題分析

基本的ZVS變換拓撲

要實現開關管的零電壓開通，必須有足夠的能量來：1）抽走將要開通的開關管結電容上的電荷；2）給即將關斷的開關管結電容充電；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為開關管的結電容，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ZVS相對來說比較容易，滯后橋臂實現起來相對困難一些。

滯后橋臂ZVS實現的條件相對惡劣，原因是由于在滯后橋臂開關管交換開通時，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，此時滯后橋臂開關管結電容的充放電全靠變壓器漏感中能量實現。

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實現的方案。

3目前使用的改進型ZVS拓撲結構

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范圍的結構。如下圖所示。

圖2 改進的移相ZVS全橋結構

改進的ZVS拓撲優缺點分析：

優點:不僅拓寬了結構拓撲滯后橋臂在輕載條件下零電壓開關的實現，降低了開關損耗，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，提高了結構的效率。

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

二極管在開關電源中應用非常之多，由于開關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斷，在其快速開通和關斷條件下，難免會產生較高的電壓尖峰和開關損耗，這就叫反向恢復現象。

一般的二極管就一PN結（肖特基除外）。PN結結構的二極管，其P區、N區都有多數載流子和少數載流子，PN結內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 區與 N 區的多數載流子都不斷地 向對方區域擴散,并在對方 區域中有相當數量的存儲。此時,若在二極管兩端突加反向電壓,PN 結 內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域 ,或者被復合掉 ,這樣就產生了一個反向電流。

在這一反向電流的作用下,存儲電荷被全部掃出,PN結交界處耗盡層的勢壘高度增加,反向電流給二極管并聯寄生電容充電,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束。在這一過程中,反向電流( 最大值記為IRM) 在二極管內產生反向恢復損耗 ,反向電流如果流過電路中其它元件 ,還會產生附加損耗 。又由于二極管串聯寄生電感和并聯寄生電容的作用,二極管兩端會產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出現了很多種方案。一種思路是從器件本身出發 ,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 ,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