軟開關(guān)技術(shù)與高頻化
出處:zhaozl2004 發(fā)布于:2008-10-07 10:31:58
?。玻笆兰o(jì)60年代開始得到發(fā)展和應(yīng)用的PWM?。模茫模?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器技術(shù),是一種硬開關(guān)技術(shù)。所謂硬開關(guān)(Hard Switching)是指開關(guān)上的電壓和電流都不為零時(shí)的一種突變的強(qiáng)迫開關(guān)過程,即強(qiáng)迫開關(guān)器件在其電壓不為零時(shí)開通,或電流不為零時(shí)關(guān)斷。圖是開關(guān)管開/關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。由于開關(guān)管不是理想器件,在開通時(shí)開關(guān)管的電壓不是立即降到零,而是有一個(gè)下降時(shí)間,同時(shí)電流也不是立即上升到負(fù)載電流,也有一個(gè)上升時(shí)間;在關(guān)斷時(shí)開關(guān)管上的電流不是立即降到零,而是有一個(gè)下降時(shí)間,同時(shí)電壓也不是立即上升到電源電壓,也有一個(gè)上升時(shí)間。開通和關(guān)斷時(shí)的這段時(shí)間里,電壓和電流有一個(gè)交疊區(qū)產(chǎn)生損耗,稱為開關(guān)損耗(Switching?。蹋铮螅螅?。在一定條件下開關(guān)管在每個(gè)開關(guān)周期中產(chǎn)生的開關(guān)損耗是恒定的,轉(zhuǎn)換器的總開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比,開關(guān)頻率越高,總的開關(guān)損耗越大,轉(zhuǎn)、換器的效率就越低。開關(guān)損耗限制了轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的提高,從而也就限制了轉(zhuǎn)換器的小型化和輕量化。同時(shí),開關(guān)管工作在硬開關(guān)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較高的du/dt和di/dt,從而產(chǎn)生了較大的電磁干擾(Electr。Magnetic Interference,EMI).開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡,如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件,其開關(guān)軌跡很可能會(huì)超出安全工作區(qū),導(dǎo)致開關(guān)管損壞。

減小開關(guān)損耗有以下幾種方法:
?。ǎ保┰陂_關(guān)管關(guān)斷前,使其電流減小到零,這就是所謂的零電流關(guān)斷,關(guān)斷損耗基本上可以減小到零。
(2)在開關(guān)管關(guān)斷時(shí),使其電壓保持在零,或者限制電壓的上升率,從而減小電流與電壓的交疊區(qū),這就是所謂的零電壓關(guān)斷,同樣關(guān)斷損耗也可以大大減小。
?。ǎ常┩瑫r(shí)做到(1)和(2),在這種情況下,關(guān)斷損耗為零。
?。ǎ矗┰陂_關(guān)管開通時(shí),使其電流保持在零,或者限制電流的上升率,從而減小電流與電壓的交疊區(qū),這就是所謂的零電流開通,可以使開通損耗大大減小。
?。ǎ担┰陂_關(guān)管開通前,使其電壓下降到零,這就是所謂的零電壓開通,開通損耗基本可以減小到零。
?。ǎ叮┩瑫r(shí)做到(3)和(4),在這種條件下開通損耗為零。
為了減小轉(zhuǎn)換器的體積和重量,必須實(shí)現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率和提高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率,就必須減小開關(guān)損耗。減小開關(guān)損耗的途徑,就是采用軟開關(guān)技術(shù)。
所謂軟開關(guān)(Soft?。樱鳎椋簦悖瑁椋睿纾?,是指開關(guān)上的電壓和電流都為零,或其中一個(gè)為零時(shí)的自然開關(guān)過程,在開關(guān)過程中沒有電壓和電流的交疊,如零電壓開關(guān)(Zer。Voltage?。樱鳎椋簦悖瑁恚纾冢郑樱┖土?a target="_blank">電流開關(guān)(Zero?。茫酰颍颍澹睿簟。樱鳎椋簦悖瑁椋睿纾冢茫樱?,有時(shí)也把近似的zvs和ZCS叫做軟開關(guān)。
對(duì)于硬開關(guān)和軟開關(guān)有兩種不同的理解方式:一種是一般的理解,硬開關(guān)是在突變的開關(guān)過程中切斷或接通功率流的轉(zhuǎn)換過程,而軟開關(guān)則是通過儲(chǔ)能元件電感L和電容C的諧振,使開關(guān)中的電流或開關(guān)兩端的電壓按正弦或準(zhǔn)正弦的規(guī)律變化,當(dāng)電流變化到零時(shí)使開關(guān)關(guān)斷,當(dāng)電壓變化到零時(shí)使開關(guān)開通,開關(guān)是在零電壓或零電流的條件下完成開或關(guān)的過程,使開關(guān)上的開通和關(guān)斷損耗理論上等于零。
另一種是從量變到質(zhì)變的漸進(jìn)比較過程的理解,由于現(xiàn)代的半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間在毫秒級(jí)到納秒級(jí),因此轉(zhuǎn)換器電路中的寄生電感和寄生電容在開關(guān)過程中的作用是不能忽視的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)在開關(guān)過程中只受電路中寄生電感和電容的影響時(shí)定義為硬開關(guān),電路中寄生電感和電容的影響及寄生電感和電容之間的振蕩,使開關(guān)管在硬開關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)損耗增加,產(chǎn)生電流或電壓尖峰,電磁干擾加重。當(dāng)采用外加的電感和電容來延緩開關(guān)過程時(shí),這就是緩沖電路的作用。在開關(guān)過程中,為了減小開關(guān)應(yīng)力,就要使儲(chǔ)存的電磁能量增大,從而使每個(gè)開關(guān)過程中儲(chǔ)存的能量不能經(jīng)濟(jì)地在下一個(gè)循環(huán)中消耗掉,這種技術(shù)就是饋能式緩沖電路技術(shù)。當(dāng)儲(chǔ)存在電磁元件中的能量進(jìn)一步增加時(shí),致使電磁元件產(chǎn)生諧振,這就是諧振轉(zhuǎn)換技術(shù),要將諧振限制在開關(guān)周期的某一部分區(qū)間工作時(shí),就是準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)。這種從量變到質(zhì)變的理解,就把硬開關(guān)、緩沖電路(也稱吸收電路)技術(shù)、饋能式緩沖電路技術(shù)、諧振技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)有機(jī)地聯(lián)系到一起了。因此把硬開關(guān)和軟開關(guān)作為兩個(gè)極時(shí),則緩沖電路也可以認(rèn)為是對(duì)開關(guān)具有軟化作用的一種電路。事實(shí)證明,緩沖電路確實(shí)也可以減小開關(guān)損耗,提高轉(zhuǎn)換器效率。
軟開關(guān)技術(shù)是在不斷認(rèn)識(shí)、不斷提高的過程中得到發(fā)展的,是在高頻化的促使下,以諧振技術(shù)和PWM技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)展條件下提出來的,是使常規(guī)PWM技術(shù)與諧振技術(shù)相結(jié)合,并吸收兩者的優(yōu)點(diǎn),由此產(chǎn)生了軟開關(guān)PWM技術(shù)。
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