軟開關技術在電力電子變換電路的應用論文

本文對傳統的硬開關技術所存在的開關損耗及電力公害等不足進行了詳細的分析，在此基礎上提出了軟開關的概念，闡述了軟開關的工作原理，分析了軟開關存在的不足。

一、硬開關及其所存在的問題

在硬開關過程中，開關器件在較高電壓下通過較大電流，會產生很大的開關損耗。開關損耗隨開關頻率的提高成正比增加，不僅降低了變壓器的效率，而且嚴重的發熱温升可能使開關器件的壽命急劇縮短，此外還會產生嚴重的電磁干擾噪聲，難與其他敏感電子設備電磁兼容。

二、軟開關原理

如果在電力電子變換電路中採取一些措施，如改變電路結構和控制策略，使開關器件在開通過程中其端電壓為0，則可以大大緩解上述問題，這種開通方式稱為零電壓開通;同理，若使開關器件在關斷過程之前其承載的電流已降為零，則這種關斷方式稱為零電流關斷。零電壓開通、零電流關斷是電力電子器件最理想的開關方式，其開關過程中無能量損耗，但如果開關器件在開通過程中其端電壓很小，在關斷過程中其電流也很小，則這種開關過程的功耗也很小，稱之為軟開關。

在電力電子變換電路中，利用LC諧振特性使變換器中開關器件的端電壓uv或電流iv自然地諧振過零，在開關器件端電壓uv降為零後(如圖1a中t0時刻)，即其等效電阻Rv變為零後，施加驅動信號，開通電路。這樣在電流iv的建立過程中電流、電壓因沒有重疊時間而無開通損耗，即Pon=uv×iv=0，這種開通方式稱為零電壓開通，如圖1a所示。如果流經開關器件的電流因電路諧振電流自然地降為零(如圖1a中t1時刻)，則在開關管電流下降時因開關管仍處於通態，Rv=0，其電壓為零而無損耗關斷，電流降到零後再撤除驅動信號。

由於電流早已為零也無開關損耗，這種關斷方式稱為零電流關斷，如圖1a所示。零電壓開通和零電流關斷都無開關損耗，這當然是最理想的軟開關過程。但如果象圖2b所示，施加驅動信號後，在Rv減小、電流上升的開通過程中，電壓uv不大或迅速下降為零，這種開通過程開通損耗不大，稱之為軟開通。如果撤除驅動信號後，在Rv變大、電流下降的過程中，電壓uv不大或上升很慢，則這種關斷過程關斷損耗也不大，稱之為軟關斷。

圖1b所示為軟開通、軟關斷過程中的電壓、電流及損耗波形。從圖中可以看出，雖然在開關器件開通的t0時刻端電壓uv並不為零，電流電壓有重疊時間，功率損耗不為零，但由於在重疊區內，電壓uv很快就下降到零，所以開通損耗Pon也就比較小。同樣，雖然在開關器件關斷的t1時刻電流不為零，但由於在電流電壓的重疊區內電流iv很快就下降到零，所以關斷損耗Poff也就比較小。

三、軟開關技術

減少電力電子開關器件的'開關損耗、電壓峯值和電流峯值、改善、等開關技術統稱為軟開關技術，為便於區別，把前面的開關技術稱硬開關技術。

電力電子變換器的軟開關技術是利用電感和電容改變開關器件的開關軌跡(開關過程中電壓uv和電流iv的瞬時值軌跡)，減小開關損耗。最早採用RLC的是緩衝電路改善開關軌跡，減小開關器件自身的開關損耗。這種緩衝電路能改善開關軌跡，但並未能減小整個變換器的功耗，它只是將開關管的損耗轉移到緩衝電路上消耗掉。這種措施不僅不能減少變換器的總損耗，甚至還會使總的損耗加大，降低變換器的效率。本文所研究的軟開關技術(包括零電壓開通、零電流關斷)不僅要改善開關軌跡，使開關器件工作安全可靠，而且要減小開關損耗，而不是簡單地轉移開關損耗。

下面對圖2a，b，c所示的三種軟開關電路的基本結構進行簡單説明。

(一)串聯電感：圖2a所示的串聯電感電路是零電流開關電路(ZCS)的基本結構。開關器件導通時，抑制di/dt，消除uv、iv的重疊時間，防止發生開關損耗，可在任意時刻以ZCS開通。關斷之前，要放完串聯電感上的能量(即電流為零)，以確保器件安全。

(二)並聯電容：圖2b所示的並聯電容是零電壓開關電路(ZVS)的基本結構。開關器件關斷時，抑制，消除、的重疊時間，避免發生開關損耗。可在任意時刻以ZCS關斷。器件開通之前，要放完並聯電容上的電荷，以確保器件安全。

(三)反並聯二極管：如圖2c所示，當外電路電流流經二極管時，開關器件處於零電壓、零電流狀態。此時開通或關斷開關器件，都是ZVS、ZCS動作。外電路由LC無源器件、輔助開關等諧振電路、輔助電路組成，也有同時使用電感和電容的情況。

四、軟開關存在的技術問題

(1)部分諧振PWM：為了使效率儘量和硬開關時接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個開關週期內，僅在器件開通和關斷時使電路諧振，稱為部分諧振。

(2)無損耗緩衝電路：使串聯電感或並聯電容上的電能釋放時不經過電阻或開關器件的電路稱為無損耗緩衝電路，常用反並聯二極管來實現。

(3)IGBT器件：在電動機控制中主開關器件多采用IGBT，IGBI關斷時有尾部電流，對關斷損耗有很大影響。因此，關斷時採用零電流時間長的ZCS更合適。

(4)並聯諧振：在構造部分諧振電路時，應避免主電流通過諧振電路，即諧振電感應與主電路並聯。諧振型PWM除導通損耗增加，器件的峯值電壓增大等缺點外，其效率與硬開關PWM差不多。具體電路有諧振型PWM、ZCT、PWM、ZVT、PWM等。