零電壓開關(guān)簡介

零電壓開關(guān)（ZVS）/零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到80%~85%。20世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。

PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作（開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊），因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)（ZVS）/零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到80%~85%。20世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振（20世紀(jì)80年代中）全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM（上世紀(jì)80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM（20世紀(jì)90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（20世紀(jì)90年代中）等。我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達(dá)93%。

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路

將開關(guān)Sl同電容Cl并聯(lián)，就構(gòu)成了零電壓（ZVS）開關(guān)。原理框圖如圖11.17：同樣，依據(jù)開關(guān)中電流的流向分為半波型和全波型。諧振型開關(guān)技術(shù)解決了常規(guī)的PWM開關(guān)電路在開關(guān)切換時(shí)開關(guān)管損耗過大的問題。諧振型開關(guān)在零電流和零電壓時(shí)進(jìn)行切換，大大減小了切換損耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的問題。諧振型開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)分為諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振三種，這里不一一舉例。

諧振型開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)特點(diǎn)是不需要增加額外功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)單管變換器開關(guān)管零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）。這類變換器不同于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，有器件應(yīng)力高、循環(huán)能量大和變頻控制等缺點(diǎn)。此外，由于諧振電源中傳輸?shù)氖钦也?，PWM電路中傳輸?shù)氖欠讲ǎ也ò哪芰繘]有方波高。經(jīng)過諧振型開關(guān)電源減低了開關(guān)損耗，可是傳遞的能量也下降了，所以整體轉(zhuǎn)換效率并不比PWM電路高多少。人們希望將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來。首先利用脈寬調(diào)制提供方波電壓、電流，對于同樣的電流，不僅提供更多的功率，同時(shí)開關(guān)管保持較低的導(dǎo)通損耗。

其次，利用零電壓諧振技術(shù)，在開關(guān)管上的電壓達(dá)到零以后再轉(zhuǎn)換。然后再改變兩組方波之間的相移進(jìn)行控制，電路工作在恒定的開關(guān)頻率上，這種相移零電壓技術(shù)，采用全橋變換器很容易實(shí)現(xiàn)。全橋變換的好處是利用4個(gè)晶體管可以方便地實(shí)現(xiàn)ZVT或ZCT，同時(shí)可輸出大的功率，這是多管隔離型直流變換器得到廣泛應(yīng)用的原因。

零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān)電路

1、準(zhǔn)諧振電路結(jié)構(gòu)

主開關(guān)電路為零電壓半波準(zhǔn)諧振升壓變換器，如圖2所示。

設(shè)計(jì)零電壓準(zhǔn)諧振電路有兩種方式：一是全波型，二是半波型。零電壓準(zhǔn)諧振電路的全波型比半波型多串聯(lián)了一個(gè)反向二極管。在開關(guān)過程中，全波型串聯(lián)二極管起到反向電流阻止作用，但開關(guān)中的結(jié)電容的能量在開關(guān)關(guān)斷期間被儲(chǔ)存，在開關(guān)導(dǎo)通期間承受電容導(dǎo)通的損耗，這在高頻下工作是不利的，所以準(zhǔn)諧振變換器的方式，在高頻情況下一般選擇零電壓半波準(zhǔn)諧振變換器電路。

2、基本工作原理

準(zhǔn)諧振變換器的特性受諧振電路中Lr、Cr的影響很大，分析工作原理時(shí)，需引入下述參數(shù)：特性阻抗規(guī)一化開關(guān)頻率規(guī)一化負(fù)載電阻諧振角頻率

電壓變比n=UO/Ui

零電壓半波準(zhǔn)諧振變換器，在穩(wěn)態(tài)工作下，一個(gè)完整的開關(guān)周期可分為四個(gè)階段，其等效電路如圖3所示。

將輸入部分看作恒流源Ii，輸出負(fù)載部分看作電壓負(fù)載UO，零電壓準(zhǔn)諧振變換器典型波形如圖4所示。

零電壓開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

對降壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵要求通常是尺寸和效率。由于印制電路板面積彌足珍貴，哪個(gè)設(shè)計(jì)人員也不愿意分配額外的空間給功率設(shè)計(jì)方案。此外，由于單片機(jī)和數(shù)字信號處理器（DSP）不斷推陳出新，電路板設(shè)計(jì)方案也不斷升級，盡管功率有所增加，但產(chǎn)品尺寸卻不能增大了。因此，高密度穩(wěn)壓器便隨著最新IC集成度的提高、MOSFET技術(shù)的提升及封裝工藝的改良而不斷發(fā)展?？v使這樣，這些穩(wěn)壓器還是無法滿足新系統(tǒng)的應(yīng)用要求。尤其是系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度正日益提高。其主要原因是開關(guān)損耗阻礙穩(wěn)壓器MOSFET的內(nèi)部性能。如果不從根本上解決這些損耗問題，那么只能期望一些微小的性能提升。