开关电源软开关技术.pdf.pdf

一、 研究的意义和必要性 随着分布式电源系统应用的普及推广及移动式电子设备的飞速发展,电源系 统需用的DC/DC电源模块数量越来越多，性能要求越来越高。除去常规电性能指 标以外，为适应电子产品的小型化，对其功率密度要求越来越高；为增长平均 无故障工作时间和节约能源，要求增加转换效率减少发热；同时EMI 问题也越 来越引起重视。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低电磁骚扰、 具有更高可靠性和性能的DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师 追求的目标。 目前，我国国产军用的DC/DC变换器基本上还是硬开关变换器，PWM控制器 直接控制功率MOS管的门极来主功率回路的导通和关断。在此过程中，开通电压 和关断电流相当大，所以du/dt和di/dt也很大，产生严重的开关损耗和噪声 污染，在频率提高的时候尤其严重。这些问题制约了产品的高功率密度化。如果 采用在近二十年来蓬勃发展的软开关技术，可以解决这一系列问题。 软开关技术是指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压降为零，或者关断前 电流降为零，这样一来开关管可以在零电压下开通，在零电流下关断，理论上 可以消除开关损耗，因此可以提高开关频率，减小变压器体积；du/dt和di/dt 为零，大大减少电磁骚扰。 所以，应用软开关技术，可以提高DC/DC变换器的效率、EMI、可靠性三大基本性 能，从而提高功率密度,减小电磁骚扰，适应未来电子设备和武器系统的发展主 流。 二、国内外现状及发展趋势 （一）软开关电路的发展历程 软开关技术是在晶体管开关电源发展了二十余年后出现的，它的发展可以粗略 的划分为三个阶段，准谐振电路，零开关电路和零转换电路。 准谐振电路是最早的软开关电路，由串并联谐振发展而来，在70年代末80年 代初得到广泛关注，它可以通过谐振来整定电压波形和电流波形，使大电压和 大电流不同时出现，实现软开关。但它也有一些缺点，谐振使电压峰值高，电流 有效值大，对器件要求高，由于是变频控制，在当时的技术条件下控制比较困 难。由此发展出多谐振电路，可以减小变换器电压应力，改善负载范围，甚至可 以在零负载下实现软开关。此类电路虽然取得一些成果，但长期没能进入主流的 工程技术。 把准谐振技术和传统PWM控制电路结 起来，形成了零开关电路。最早的零开关 是电压型的，它是在零电压准谐振的电感两端接一个开关实现的，这样一来使 电路工作在固定频率下，将准谐振和传统PWM技术的优点结 起来。由此发展出 许多种电路拓朴，但从工程实用角度仅有两项是成功并且得到广泛应用的。一项 是VICOR 公司的有源箝位 ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥 移相ZVS软开关技术. 有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代是美国VICOR 公司的有源箝位 ZVS技术，其专利已经于 2002 年2 月到期。VICOR 公司利用该技术, 配 磁元件， 将 DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却 始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET 的驱动损耗随工作频率的上升也大幅 度增加,而且因1MHZ 频率之下不易采用同步整流技术,其效率无法再提高。 为了降低第一代有源箝位技术的成本，简化电路，IPD公司申报了第二代有源 箝位技术专利。它采用P沟 MOSFET 在变压器二次侧用于 forward电路拓朴的有 源箝位。这使电路极其简单，但这种方法形成的MOSFET 的零电压开关(ZVS)边界 条件较窄,在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术,而且 PMOS 工作频率也不理想。 为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于 2001年申请 了 第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯 复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路 方案：其中一个方案可以采用N 沟MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以 将 ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结 在一起，因而它实现了高达 92%的 效率及250W/in3 以上的功率密度。(即四分之一砖 DC/DC做到250W功率输出及 92%以上的转换效率) 。 全桥移相ZVS软开关技术能在不增加辅助开关器件的状态下实现软开关并使环 路电流最小，从90年代中期风靡大功率及中功率开关电源领域。该电路拓朴及 控制技术在MOSFET 的开关速度还不太理想时，对DC/DC变换器效率的提升起了 很大作用。但