DC/DC功率变换器软开关技术及Pspice仿真

引言

      随着生产技术的发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面，目前功率变换器的开关变换技术主要采用两种方式：脉宽调制(PWM)技术和谐振变换技术。传统的PWM控制方式由于开关元件的非理想性，其状态变化需要一个过程，即开关元件上的电压和电流不能突变，开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗。变频器工作频率一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，所以开关频率越高，开关损耗就越大，因而硬开关变换器的开关频率不能太高。相比之下软开关变换器的作用是，当电压加在器件两端或者电流流经器件时，抑制功率器件转换时间间隔,即软开关的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，或是通过器件的电流为零。这种开关方式明显减小了开关损耗，不仅可以允许更高的开关频率以及更宽的控制带宽，同时又可以降低dv/dt 和电磁干扰。本文为了更好地说明不同软开关技术的区别，采用Pspice软件对其中两种有代表性的变换电路进行了仿真和分析。

软开关的原理

     谐振开关技术的核心问题是为器件提供良好的开关工作条件，使得器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，从而把器件的开关损耗降到最低水平。

      软开关下的器件通断可以明显减少功率的开关损耗。

      减小开关损耗通常有以下两种方法：在开关管开通时，使其电流保持在零或抑制电流上升的变化率，减少电流与电压的重叠区，从而减少开通的功率损耗，即零电流导通；在开关管开通前，减小或消除加在其上的电压，即零电压导通。

      减小关断损耗有以下两种方法：开关管关断前，减小或消除加在其上的电流，即零电流关断；开关管关断前，减小或消除加在其上的电压，即零电压关断。

DC/DC变换器

软开关的分类及特点

      DC/DC功率变换器目前所采用的几种方法如下：谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电压开关PWM变换器、零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。

谐振变换器

      该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振电路的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与谐振电路的连接关系，也可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载谐振变换器；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。其缺点是：该变换器输出性能与负载关系很大，对负载的变化很敏感，电压调节一般采用频率调制方法，滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。

准谐振变换器和多谐振变换器

      这类变换器的特点是：谐振元件参与能量变换的某一个过程，不是全程参与。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。由于运行中变换器工作在谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分，而其余时间都是运行在非谐振模式，因此“谐振”一词用“准谐振”代替。

零开关PWM变换器
      该类变换器可分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。零开关PWM变换器技术是在PWM技术和谐振技术之间取了折中。在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。它既可以通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关条件，又可使电路象常规PWM电路一样，在恒频下通过改变占空比调制来调节输出电压。当开关转化完成后，转换器返回到普通的PWM操作模式，因此可以减小电路的能量。开关损耗以最小的导通损失为代价而得到减少。然而这种变换器也有其自身的缺点，以零电压PWM变换器为例，它与上面提到的零电压开关准谐振变换器有个共同的特点就是开关管和谐振电容、谐振电感的电压和电流应力是完全一样的，也就是说要承受很高的电压，这对于开关管来说是一个缺陷。

零转换PWM变换器

      该类变换器分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。对于使用MOSFET管的高频转换器来说，若能实现完全零电压转换操作，器件的功能就能很好地发挥出来，对于功率MOSFET来说，它们的器件特性非常依赖于电压等级。然而，零电压开关准谐振变换器中的开关器件承受了其在PWM电路中的两倍电应力，开通损耗将大大增加。并且，主开关大的关断电流将增加关断损耗。当少数载流子器件，比如IGBT或BJT用于功率开关时，更要注意以上的缺陷。因此，前面几种变换器与常规的硬开关变换电路相比，都毫无例外地极大地增加了电路中开关管的电压或电流应力，使电路中的导通损耗明显增加，从而部分地抵消了开关损耗降低的优点。零转换PWM变换器在开关上串联一个谐振网络，对于主控和辅助开关都可以在不增加其电压和电流应力的情况下动作。

两种电路的Pspice仿真结果及比较

      这里仅对两种具有代表性的变换器电路：升压半波模式的零电压开关准谐振变换器和升压零电压转换PWM变换器进行Pspice仿真。设定两种电路的输入电压相同，以此分析比较开关管两端的电压应力。

图1  升压半波模式的零电压开关准谐振变换器原理图

      升压半波模式的零电压开关

      准谐振变换器仿真

      图1为升压半波模式的零电压开关准谐振变换器的电路原理图，仿真参数如图中所示，开关频率为700kHz。用Pspice软件对原理图进行仿真，仿真结果如图2所示。

图2  开关管通断及其所受电压应力仿真波形

      从图2中可以看出，当开关管关断时，谐振电容限制了电压的上升率，使开关管实现了零电压关断。谐振电容电压下降到零，开关管的反并联二极管导通，将开关管的电压箝在零位，此时开关管在零电压下导通。但同时也发现开关器件的确承受了很高的电压应力，选择开关器件时要加以考虑，这给实际应用带来了安全性和可靠性的麻烦。

      零电压转换PWM变换器仿真

      图3 为升压零电压PWM变换器的电路原理图，仿真参数在图上标明，其中Q为主开关管，Qa为辅助开关管，开关频率为100kHz。主副开关管的驱动波形如图4所示。

图3   升压零电压PWM变换器原理图

图4  主副开关管的驱动仿真波形

      主开关管的导通和关断都是在零电压的条件下，辅助电路工作时间不长，只在主开关管开通工作时一段时间，因此辅助电路的损耗很小。值得注意的是，由于辅助谐振网络与主功率开关器件并联，因而在使主开关器件软开关工作的同时，并没有增加过高的电压应力，这一点是与上面所提到的几种变换器完全不同的。零转换PWM变换器所具有的这些优点，使得其成为目前在工程实际应用中最有发展前途的功率变换电路拓扑之一。

结语

      软开关技术在提供低损耗和更高工作频率上比目前的硬开关技术取得了更显著的效果，由于软开关转换器的研发努力，早期的商用器件的性能有了大幅度提高，也证实了这种技术所具有的潜在能力。最明显的是在工业和商业产品中的功率变换器，这些变换器将直流电转换成所要求幅值可调的直流电、或者幅值和频率都可调的单相或多相交流电。然而，现在的软开关变换器技术应用了谐振原理，电路中存在串联或并联的谐振网络，谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，使得控制系统变得更加复杂，这就使电路受到这种固有问题的影响，限制了软开关变换器技术的应用。现在国内外许多人员在研究是否能实现以及如何实现无谐振网络的软开关变换器技术，并已取得一些进展。可以预言，无谐振网络的软开关变换器将是软开关变换技术的发展趋势。