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开关电源原理及其应用 第一部分功率电子器件 第一节功率电子器件及其应用要求 功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。 近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面 1． 器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型晶体管时，速度可以到几十千赫；使用MOSFET和IGBT，可以到几百千赫；而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。 2． 通态压降（正向压降）降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件体积。 3． 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。 4． 额定电压耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统，这显得非常重要。 5． 温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。 总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用MOSFET和IGBT，特别是IGBT获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。 第二节功率电子器件概览 一． 整流二极管 二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择 1，高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。 2，高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。 3，肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V，适合5V等低压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低（200V以下），反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通态压降低。 目前SBD的研究前沿，已经超过1万伏。 二．大功率晶体管GTR 分为 单管形式。电流系数10-30。 双管形式达林顿管。电流倍数100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。 图1-1达林顿管应用 实际比较常用的是达林顿模块，它把GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中，比较多地使用了这种器件。图1-2是这种器件的内部典型结构。 图1-2达林顿模块电路典型结构 两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流串联正反馈，达到加速的目的。 这种器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（参考）。 三． 可控硅SCR 可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控制中，已逐步被新型器件取代。 目前的研制水平在12KV/8000A左右（参考）。 由于可控硅换流电路复杂，逐步开发了门极关断晶闸管GTO。制造水平达到8KV/8KA，频率为1KHz左右。 无论是SCR还是GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且，速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。 集成门极换流晶闸管IGCT和MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了MOS栅，从而达到硬关断能力。 四． 功率MOSFET 又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。 其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压100V以下，是比较理想的器件。 目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。商业化的产品达到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。 五． IGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。 目前这种器件的两个方向一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。 它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40。但速度比MOSFET低。 尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是MOSFET和IGBT，特别是IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。因此，我们下面的重点也是这两种器件。 第三节功率场效应管MOSFET 功率场效应管又叫功率场控晶体管。 一．原理 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。 实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。 它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下 N沟道 P沟道 图1-3MOSFET的图形符号 MOS器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。 和普通MOS管一样，它也有 耗尽型栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。 增强型需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS正偏越大，IDS越大。 一般使用的功率MOSFET多数是N沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS管的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。 二．特点 这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1万兆欧以上），栅极电流基本为零。 驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压100V以下，是比较理想的器件。 目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。 其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。 三．参数与器件特性 无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。 （1） 转移特性 ID随UGS变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS的上升，跨导将越来越高。 ID UGS 图1-4MOSFET的转移特性 （2） 输出特性（漏极特性） 输出特性反应了漏极电流随VDS变化的规律。 这个特性和VGS又有关联。下图反映了这种规律。 ID ID VDS VGS 图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这点和GTR有区别。 图1-5MOSFET的输出特性 VGS0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。 （3）通态电阻Ron 通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。 该参数随温度上升线性增加。而且VGS增加，通态电阻减小。 （4）跨导 MOSFET的增益特性称为跨导。定义为 GfsΔID/ΔVGS 显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。 （5）栅极阈值电压 栅极阈值电压VGS是指开始有规定的漏极电流（1mA）时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加45度，阈值电压下降10。 （6）电容 MOSFET的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容，这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子系统会有一定影响。 有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为例，其特性如下 VGS QG 可以看到器件开通延迟时间内，电荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上升，对应着管子开通时间。最后，当电压增加到一定程度后，电荷增加再次变慢，此时管子已经导通。 图1-6栅极电荷特性 （8）正向偏置安全工作区及主要参数 MOSFET和双极型晶体管一样，也有它的安全工作区。不同的是，它的安全工作区是由四根线围成的。 最大漏极电流IDM这个参数反应了器件的电流驱动能力。 最大漏源极电压VDSM它由器件的反向击穿电压决定。 最大漏极功耗PDM它由管子允许的温升决定。 ID VDS VDSM IDM PCM RON 漏源通态电阻Ron这是MOSFET必须考虑的一个参数，通态电阻过高，会影响输出效率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。 图1-7正向偏置安全工作区 第四节绝缘栅双极晶体管IGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 一．原理 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。 该器件符号如下 C C G E G E N沟道 P沟道 图1-8IGBT的图形符号 注意，它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。 图1-9IGBT的等效电路图。 上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。 二．特点 这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。 它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40。但速度比MOSFET略低。 大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。 三．参数与特性 （1）转移特性 IC UGE 图1-10IGBT的转移特性 这个特性和MOSFET极其类似，反映了管子的控制能力。 （2）输出特性 VCE VGE IC ID 图1-11IGBT的输出特性 它的三个区分别为 靠近横轴正向阻断区，管子处于截止状态。 爬坡区饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。 水平段有源区。 （3）通态电压Von I VON IGBT MOSFET 图1-12IGBT通态电压和MOSFET比较 所谓通态电压，是指IGBT进入导通状态的管压降VDS，这个电压随VGS上升而下降。 由上图可以看到，IGBT通态电压在电流比较大时，Von要小于MOSFET。 MOSFET的Von为正温度系数，IGBT小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。 （4）开关损耗 常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。 开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。 两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。 （5）安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM IC UCE 安全工作区 ICM UCEM IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。 图1-13IGBT的功耗特性 最大集射极间电压UCEM取决于反向击穿电压的大小。 最大集电极功耗PCM取决于允许结温。 最大集电极电流ICM则受元件擎住效应限制。 所谓擎住效应问题由于IGBT存在一个寄生的晶体管，当IC大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。 安全工作区随着开关速度增加将减小。 （6）栅极偏置电压与电阻 IGBT特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。 而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。 第二部分开关电源基础 第一节开关电源的基本控制原理一．开关电源的控制结构 一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。 如果细致划分，它包括输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。 实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。 下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。 采样电路 比较放大 基准电源 V/F转换 震荡器 基极驱动 开关器件 变压器 整流 滤波 保护电路 功率因素校正 滤波 整流 浪涌抑制 输入电路 变换电路 输出电路 控制电路 PM电路（类型PFM） 图2-1开关电源的基本结构框图 根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。这里是典型的PFM结构。 二．开关电源的构成原理 （一）输入电路 线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。 作用把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。 1．线性滤波电路 抑制谐波和噪声。 2．浪涌滤波电路 抑制来自电网的浪涌电流。 3．整流电路 把交流变为直流。 有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。 （二）．变换电路 含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。 这一级的开关功率管是其核心器件。 1．开关电路 驱动方式自激式、他激式。 变换电路隔离型、非隔离型、谐振型。 功率器件最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。 调制方式PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。 2．变压器输出 分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。 （三）．控制电路 向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。 基准电路提供电压基准。如并联型基准LM358、AD589，串联型基准AD581、REF192等。 采样电路采取输出电压的全部或部分。 比较放大把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。 V/F变换把误差电压信号转换为频率信号。 振荡器产生高频振荡波。 基极驱动电路把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。 （四）．输出电路 整流、滤波。 把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。 第二节各类拓补结构电源分析 一．非隔离型开关变换器 （一）．降压变换器 Buck电路降压斩波器，入出极性相同。 由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此 （Ui-Uo）*tonUo*toff， Ui*ton-Uo*tonUo*toff, Ui*tonUotontoff, Uo/Uiton/tontoff Δ 即，输入输出电压关系为 Uo/UiΔ占空比 Uo ID S ID VD ID L ID C ID 图2-2Buck电路拓补结构 在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。 （二）．升压变换器 Boost电路升压斩波器，入出极性相同。 利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系 Uo/Ui1/（1-Δ） Ui ID Uo ID S ID VD ID L ID C ID 图2-3Boost电路拓补结构 这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波， 电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压UiUL，因而有升压作用。 （三）．逆向变换器 Buck-Boost电路升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。 电压关系Uo/Ui-Δ/（1-Δ） Ui ID Uo ID S ID VD ID C ID L 图2-4Buck-Boost电路拓补结构 S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。 所以，这里的L是用于传输能量的器件。 （四）．丘克变换器 Cuk电路升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。 电压关系Uo/Ui-Δ/（1-Δ）。 N2 C1 T C2 L2 R Uo VD L1 S Ui 图2-5Cuk变换器电路拓补结构 当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，UiEL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。 这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。 二．隔离型开关变换器 1．推挽型变换器 下面是推挽型变换器的电路。 S2 S1 L C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T 图2-6推挽型变换电路 S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。 2．半桥型变换器 图2-6给出了半桥型变换器的电路图。 当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 C 2Ui S2 S1 L R N1 N2 N2 Uo T C1 C2 同样地，这个电路也相当于降压式拓补结构。 图2-7半桥式变换电路 3．全桥型变换器 下图是全桥变换器电路。 C Ui S3 S2 L R N1 N2 N2 Uo T S4 S1 图2-8全桥式变换电路 当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 这个电路也相当于降压式拓补结构。 4．正激型变换器 下图为正激式变换器。 T N3 C L R N2 Uo S N1 VD1 VD2 VD3 Ui 图2-9正激型变换器电路 当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。 5．隔离型Cuk变换器 隔离型Cuk变换器电路如下所示 N2 C12 T C2 L2 R Uo S N1 VD Ui L1 C11 图2-10隔离型Cuk变换器 当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，UiEL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。 这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。 6．电流变换器 能量回馈型电流变换器电路如下图所示。 S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T N4 N3 VD1 VD2 VD3 图2-11能量回馈型电流变换器电路 该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。 （上图怀疑N3同名端反了。） 下面是升压型变换器的电路图 S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T L VD1 VD2 图2-12升压型电流变换器电路 该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，L有升压作用。 三．准谐振型变换器 在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。 利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为 1．ZCS零电流开关。开关管在零电流时关断。 2．ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。 具体关于这个技术的简单介绍，见后面相关内容。 四．开关电源的分类总结 开关电源的分类 （一）．按控制方式 脉冲调制变换器驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。 谐振式变换器驱动波形为正弦波。又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。 （二）．按电压转换形式 1．AC/DC一次电源。 即整流电源。 2．DC/DC二次电源。 1Buck电路降压斩波器，入出极性相同。 2Boost升压斩波器，入出极性相同。 3Buck-Boost升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。 4Cuk升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。 （三）．按拓补结构 1．隔离型有变压器。 2．非隔离型无变压器。 第三节谐振式电源与软开关技术 本节讨论谐振式开关电源的有关知识。 2-3-1．电路的谐振现象 为了更好地理解谐振式电源，这里回忆一下电路谐振的条件及其特点。 一、串联电路的谐振 一个R、L、C串联电路，在正弦电压作用下，其复阻抗 ZRjωL-1/ωC 一定条件下，使得XLXC，即ωL1/ωC ，ZR，此时的电路状态称为串联谐振。 明显地，串联谐振的特点是 1．阻抗角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。 2．此时的阻抗最小，电路电流有效值达到最大。 3．谐振频率ωo1/√LC 。 4．谐振系数或品质因素 QωoL/R1/ωoCR（√L/C）/R。 由于串联谐振时，L、C电压彼此抵消，因此也称为电压谐振。从外部看，L、C部分类似于短路。 而此时Uc、UL是输入电压U的Q倍。Q值越大，振荡越强。 这里的Z0√L/C，我们称为特性阻抗，它决定了谐振的强度。 5．谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。 二、并联电路的谐振 一个R、L、C并联电路，在正弦电压作用下，其复导纳 Y1/R-j1/ωL-ωC 一定条件下，使得YLYC，即1/ωLωC ，Y1/R，此时的电路状态称为并联谐振。 明显地，串并谐振的特点是 1．导纳角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。 2．此时的导纳最小，电路电流有效值达到最小。 3．谐振频率ωo1/√LC 。 4．由于并联谐振时，L、C电流彼此抵消，因此也称为电流谐振。从外部看，L、C部分类似于开路，L、C各自有效电流却达到最大。 5．谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。 2-3-2．谐振式电源的基本原理 谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K，但谐振开关电源可以达到1M以上。 普通传统的开关电源功率因素在0.4-0.7，谐振式电源结合功率因素校正技术，功率因素可以达到0.95以上，甚至接近于1。从而大大抑制了对电网的污染。 这种开关电源又分为 1．ZCS零电流开关。开关管在零电流时关断。 2．ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。 在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。 Ic Ui S Lr Cr VD Ic Ui S Lr Cr VD S Is Ts Ton Toff S Us Ts on off 图2-13电流谐振式开关电路 电压谐振式开关电路 ZCS电流谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S，我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而Us为矩形波电压。 ZVS电压谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路的Cr端谐振电压并联到S，我们可以控制开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波，而Is接近矩形波。 以上两种电路，由于开关切换时，电流、电压重叠区很小，所以切换功率也很小。 以上开关电源是半波的，当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。 2-3-3．谐振开关的动态过程分析 实际上，谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是L、C电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面，我们对这个过程做一些分析，以了解谐振开关的工作原理。 一、零电流开关 实际的零电流开关谐振部分拓补又分L型和M型。如下面两组图形所示 S L1 C1 VD1 S L1 C1 VD1 S L1 C1 图2-14L型零电流谐振开关（中半波，右全波） S L1 C1 S L1 C1 VD1 S L1 C1 VD1 图2-15M型零电流谐振开关（中半波，右全波） 这里的L1用于限制di/dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck电路的拓补结果，可以得到如下电路 Vi VD2 VD1 L1 L2 C2 RL S C1 V0 i1 图2-16Buck型准谐振ZCS变换器（L型） Vi VD2 VD1 L1 L2 C2 RL S C1 V0 图2-17Buck型准谐振ZCS变换器（M型） 这里，我们分析一下L型电路的工作过程。 假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率 ω01/√L1C1 。 特性阻抗 Z0 √L1/C1）。 动态过程如下 1．线性阶段（t0-t1） 在S导通前，VD2处于续流阶段。此时VVD2VC10。S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始VL1Vi。 由VL1ViL1di/dt，且L1初始电流为0，有 i1Vit-t0/L1----------------------------------式1 到t1时刻，达到负载电流I0，因此 此阶段持续时间 T1t1-t0L1I0/Vi 由式1，可以看出，此阶段i1是时间的线性函数。 2．谐振阶段（t1-t2） 在电流i1上升期间，当i1小于I0时，由于i1无法供应恒流I0，续流过程将维持。当i1I0时，将以i1-I0对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，i1 因谐振继续上升。 iC1C1dVC1/dti1-I0 VL1L1di1/dtVi-VC1 因而 i1I0 iC1I0Vi/Z0*sinω0 t-t1------------------式2 其中，iC1为谐振电流。 VC1Vi-VL1 Vi -Vicosω0 t-t1 Vi [1-icosω0 t-t1]--式3 谐振到ta时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻tb电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。 VC1在i1谐振半个周期，i1I0时，达最大值。i1第一次过零（ta）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（tb）时，将放电到一个较小值。 从式2、3，可以看出谐振阶段ta前，i1、VC1是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。 3．恢复阶段（t2-t3） 由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至VC10。这阶段，如考虑电流方向性 I0-C1dVC1/dt 故VC1 VC1（t2）-I0（t-t2）/C1------------------------------------式4 因此，这个阶段的VC1是时间的线性函数，电压从VC1（t2）逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。 4．续流阶段（t3-t4） 当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。 此时，我们可以根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。 t t t t t t t t S iL VS VC1 ON ON S iL VS VC1 t0 t1 t3 t4 t0 t1 t3 t4 t2 t2 根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图 I0 图2-18半波ZCS开关波形 全波ZCS开关波形 从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。 实际情况与理想分析有所不同，VC1将有所超前。 M型电路分析方法类似，不再赘述。 二、零电压开关 ZCS在S导通时谐振，而ZVS则在S截止时谐振，二者形成对偶关系。分析过程大体类似，此处从略。 综合以上分析过程，我们可以看出，该拓补谐振结构只能实现PFM调节，而无法实现PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数控制。要实现PWM，还需要增加辅助开关管。这在本节“四、软开关技术及常见拓补简介”中将予以介绍。 2-3-4．软开关技术及常见软开关拓补简介 软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。 相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。 按控制方式，软开关可以分为脉冲宽度脉冲频率调制式（PFM）、脉冲频率调制式（PWM）、脉冲移相式（PS）三种。 一、PWM变换器 PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下，通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。 1．零电流开关PWM变换器 VDS I0 ILR LR S1 LL VD1 Uin S2 R0 CS VD CR 图2-19Buck型ZCS-PWM变换器 上图是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程略有差异 1）线性阶段（S1、S2导通）开始时，在LR作用下，S1零电流导通。随后，因Uin作用，ILR线性上升，并到达ILRIo。 2）正向谐振阶段（S1、S2导通-关断）当ILRIo时，因CR开始产生电压，VD在零电流下自然关断。之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 为零，S2关断，UCR和ILR将被保持，无法继续谐振。 3）保持阶段（S1导通、S2关断）此状态保持时间由PWM电路要求而定，保持期间，Uin正常向负载以I0供电。 4）反向谐振阶段（S1导通-关断、S2导通）当需要关断S1时，可以控制重新打开S2，此时在LR作用下，S2电流为0。谐振再次开始，当ILR反向谐振到0时， S1可在零电流零电压下完成关断。 5）恢复阶段（S1关断、S2导通）此后，UCR 在Io作用下，衰减到0。 6）续流阶段（S1关断、S2导通-关断）UCR衰减到0后，VD自然导通开始续流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到来前以零压零电流方式完成关断。 可见，S1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。 该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因而负载、输入等将影响ZCS工作状态。 2．零电压开关PWM变换器 Uos CR VD1 VD4 LL CS R0 S1 S2 LR I0 VD2 VD3 图2-20Boost型ZVS-PWM变换器 上面是Boost型零电压谐振变换器。在每次S1导通前，首先辅助开关管S2导通，使谐振电路起振。S1两端电压谐振为0后，开通S1。S1导通后，迅速关断S2，使谐振停止。此时，电路以常规PWM方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断S1，CR使得主开关管可以实现零关断。S1、S2的配合控制，实现软开关下的PWM调节。 该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和负载电流范围内，可以满足ZVS条件二极管零电流关断。期缺点是辅助开关管不在软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。 3．有源钳位的零电压开关PWM变换器 下图为有源钳位的ZVS开关PWM变换器，这是个隔离型降压变换器。其中，LR为变压器的漏电感，LM是变压器的激磁电感。CR为S1、S2的结电容。这个电路巧妙地利用电路的寄生LR、CR产生谐振而达到ZVS条件。同时，CR有电压钳位作用，防止S1在关断时过压。 这里的辅助开关S2同样是通过控制谐振时刻，来