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电力电子系统的软开关技术应用电力电子系统是现代电力系统中一种重要的组成部分，在能量转换和电力控制方面发挥着关键的作用。
然而，传统的硬开关技术存在着一些问题，如能量损耗大、温升高、开关速度慢等。
为了克服这些问题，软开关技术应运而生。
本文将介绍电力电子系统中软开关技术的应用。
一、软开关技术概述软开关技术是通过控制电流和电压的相位和频率来实现开关过程的一种技术。
相较于硬开关技术，软开关技术具有以下优点：能量损耗小、温升低、开关速度快、抗干扰能力强等。
软开关技术在电力电子系统中得到了广泛的应用和推广。
二、软开关技术在电力电子系统中的应用1. 可逆变器可逆变器是一种电力电子系统，用于将直流电转换为交流电。
传统的硬开关技术在可逆变器中存在能量损耗大、谐波干扰大的问题。
而软开关技术可以有效解决这些问题，提高可逆变器的性能和效率。
2. 无线电频率功率放大器无线电频率功率放大器是一种用于放大和调节无线电频率信号的设备。
传统的硬开关技术在功率放大器中会产生较大的谐波干扰和电磁干扰。
而软开关技术可以通过精确地控制开关时间和频率，减少谐波干扰，并提高功率放大器的效率。
3. 交流输电系统交流输电系统是通过变压器将电能从发电站输送到用户的系统。
传统的硬开关技术在交流输电系统中存在能量损耗大和电流调节精度低的问题。
软开关技术可以通过控制开关的相位和频率，实现电流和电压的精确调节，提高交流输电系统的效率和稳定性。
4. 电动汽车充电系统电动汽车充电系统是将电能传输到电动汽车中进行充电的系统。
传统的硬开关技术在电动汽车充电系统中存在能量损耗大和充电速度慢的问题。
而软开关技术可以减少能量损耗，并通过提高充电器的开关速度，实现快速充电。
三、软开关技术的发展趋势随着电力电子系统的不断进步和发展，软开关技术也在不断发展和完善。
未来，软开关技术将更加智能化和自动化，能够根据实际情况自行调节开关时间和频率，以提高电力电子系统的性能和效率。
此外，软开关技术还有望应用于更多的领域，如光伏发电系统、风力发电系统等。
电力电子高频软开关技术特点及其应用分析摘要：透过实际调查发现，有关软开关技术项目已然在功率变换器应用领域之中得到全方位推广沿用，其核心意义在于大幅度提升设备整体性能、运作效率，改善其功率密度基础上，全力规避以往电能变换装置频繁引发的电磁和环境污染状况。
由此，笔者决定在客观论证电力电子高频软开关的基础性工作原理和技术特征基础上，联合丰富实践经验探讨其可靠性的实践应用前景，希望能够为相关工作人员作为参考之用。
关键词：电力电子；高频软开关；技术特征；应用前景前言：结合以往硬开关功率变化技术工作原理加以对比校验，尤其是在功率开关管导通或是断开过程中，因为不同类型部件之上的电压或是电流必然会高于零，所以其间经常会引发较大数量的功率消耗现象。
同步状况下，一旦说开关频率越高，对应的损耗效应就愈加深刻，此时变换器工作效率出现极速的降低状况；再就是经过频率与功率的持续提升过后，内部滋生出的EMI也会随之加大，对附近电器和电网等必要性资源造成的限制效应也就更为严峻。
透过此类现象观察，改善开关频率已然是目前开关变换技术的关键性改革发展指标，即在确保将变换器体积、重量缩小在合理空间范畴前提下，大幅度提升该类器具的功率密度和集成化运作效果。
一、软开关技术的基础性工作原理所谓软开关技术，实际上就是借助谐振原理，将开关变换器之中流通的电流或是电压，依照正弦或是准正弦的形式进行波动性变化，持续到这部分电流达到自然过零状态时，及时地断开当中的开关管；再就是在开关管电压维持在自然过零效果期间，导通当中的开关管，进一步保证其不管是在断开或是导通情况下产生的损耗都控制为零，进一步落实这部分开关电源的高频化改良研发目标，为日后电源效率合理程度地提升，以及EMI现象滋生几率适度地缩减等理想化前景绽放，做充分的过渡准备工作。
而在此期间，涉及硬开关和软开关之间工作原理的差异现象则具体如下所示：首先，硬开关方面。
其开关环节中，内部的电压与电流都不会为零，并且衍生出重叠现象。
软开关的基本概念
软开关是一种电力电子器件，它能够根据控制信号断开或接通电路，从而实现电力系统的控制和保护。
与传统机械开关相比，软开关具有体积小、能耗低、寿命长、可靠性高和控制精度高等优点，因此被广泛应用于现代电力系统中。
软开关的基本结构包括一个功率半导体器件和一个控制电路。
其中功率半导体器件可以是晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT等，用于负责电路上的开关操作。
而控制电路则负责产生指令信号，控制功率半导体器件的开关状态，从而实现电路的控制和保护。
软开关的最大特点是其控制方式。
它利用高频开关技术，将电路开关的操作频率提高到几千赫兹，从而实现电流的快速切换和控制。
与此同时，软开关还可以实现电流的平滑转移，降低电路中的电压和电流波动，从而提高了能量利用率和电路的稳定性。
软开关的应用范围非常广泛，包括但不限于变频器、UPS、电力电子变压器、电机驱动等。
其中，变频器是软开关应用最为广泛的领域之一。
在变频器中，软开关用于实现电机的调速控制，从而提高电机
的效率和运行质量。
此外，软开关还可以用于UPS中的输出电路控制，保证UPS的稳定输出电压和电流。
总之，软开关是一种电力电子新型器件，具有体积小、能耗低、
寿命长、可靠性高等优点，被广泛应用于现代电力系统中。
随着科技
的不断发展和进步，软开关技术也会越来越成熟和完善，为电力系统
的控制和保护提供更加先进的技术手段。
1．引言将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。
在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。
目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。
全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷：全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。
副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。
在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。
滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。
另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。
因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。
2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种：变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。
变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。
利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。
除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。
上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。
为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。
０．引言电力电子器件在早期应用的ＤＣ－ＤＣＰＷＭ“硬开关”功率变换技术中，功率开关管导通或关断时，由于器件上的电压或电流不等于零。
因此功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗，而且，开关频率越高，开关损耗越大，变换器效率大为降低；与此同时，随着频率或功率的提高，所产生的ＥＭＩ也同时增大，对周边电器设备和电网的影响也就愈加严重。
因而，提高开关频率是现代开关变换技术的重要发展方向。
开关变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减小，从而提高开关变换器的功率密度，提高设备的集成化程度。
此外，提高开关频率也有利于降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。
高频软开关技术在这种要求下应运而生。
１．软开关的基本概念软开关技术是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；或开关管电压自然过零时，使开关管导通，从而使开关管关断和导通损耗为零，实现了开关电源高频化的设计，而且提高了电源效率，降低了ＥＭＩ的产生。
硬开关与软开关在开通损耗、关断损耗的区别如图１所示。
硬开关：（图１ａ）开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。
电压、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关损耗和噪声。
软开关：（图１ｂ）在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。
降低开关损耗和开关噪声。
图１软开关与硬开关电路的开通损耗与关断损耗的比较２．软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。
根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关ＰＷＭ电路和零转换ＰＷＭ电路。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，并可以从基本开关单元导出具体电路。
２．１准谐振电路（ａ）零电压开关准谐振电路的基本开关单元（ｂ）零电流开关准谐振电路的基本开关单元（ｃ）零电压开关多谐振电路的基本开关单元图２准谐振电路的基本开关单元准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。
为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路（ＺＶＳＱＲＣ）；零电流开关准谐振电路（ＺＣＳＱＲＣ）；零电压开关多谐振电路（ＺＶＳＭＲＣ）；用于逆变器的谐振直流环节（ＲｅｓｏｎａｎｔＤＣＬｉｎｋ）。
特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（ＰｕｌｓｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ—ＰＦＭ）方式来控制。
２．２零开关ＰＷＭ电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。
零开关ＰＷＭ电路可以分为：零电压开关ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＳＰＷＭ）；零电流开关ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－Ｃｕｒｒｅｎｔ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＣＳＰＷＭ）。
（ａ）零电压转换ＰＷＭ电路的基本开关单元（ｂ）零电流转换ＰＷＭ电路的基本开关单元图３零转换ＰＷＭ电路的基本开关单元特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。
电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
２．３零转换ＰＷＭ电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。
零转换ＰＷＭ电路可以分为：零电压转换ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＴＰＷＭ）；零电流转换ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＴＰＷＭ）。
特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。
电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
（ａ）零电压转换ＰＷＭ电路的基本开关单元（ｂ）零电流转换ＰＷＭ电路的基本开关单元图４零转换ＰＷＭ电路的基本开关单元３．软开关电路的典型应用３．１零电压开关准谐振电路工作过程：ｔ０￣ｔ１时段：ｔ０时刻之前，开关Ｓ为通态，二极管ＶＤ为断态，ｕＣｒ＝０，ｉＬｒ＝ＩＬ；ｔ０时刻Ｓ关断，与其并联的电容Ｃｒ使Ｓ关断后电压上升减缓，因此Ｓ的关断损耗减小。
Ｓ关断后，ＶＤ尚未导通。
电感Ｌｒ＋Ｌ向Ｃｒ充电，ｕＣｒ电力电子高频软开关技术特点及其应用西安铁路职业技术学院樊润洁李金堂［摘要］为了获得更高的性能指标、更高的效率、更高的功率密度，减小电能变换装置引起的电磁污染（ＥＭＩ）和环境污染（噪声等），软开关技术已经在功率变换器中得到了广泛的应用。
本文对软开关技术的电路进行了一个简单的分类，并对其工作特点进行扼要的分析。
重点对几种典型的软开关电路的工作过程、波形分析进行了剖析论述。
［关键词］软开关准谐振电路零电压开关零电流开关（ａ）（ｂ）关断损耗通态损耗开通损耗关断损耗通态损耗开通损耗（ａ）（ｂ）（ｃ）（ａ）（ｂ）（ａ）（ｂ）线性上升，同时ＶＤ两端电压ｕＶＤ逐渐下降，直到ｔ１时刻，ｕＶＤ＝０，ＶＤ导通。
这一时段ｕＣｒ的上升率为：ｄｕｃｒ／ｄｔ＝ＩＬ／ＣＩ；ｔ１￣ｔ２时段：ｔ１时刻二极管ＶＤ导通，电感Ｌ通过ＶＤ续流，Ｃｒ、Ｌｒ、Ｕｉ形成谐振回路。
ｔ２时刻，ｉＬｒ下降到零，ｕＣｒ达到谐振峰值。
ｔ２￣ｔ３时段：ｔ２时刻后，Ｃｒ向Ｌｒ放电，直到ｔ３时刻，ｕＣｒ＝Ｕｉ，ｉＬｒ达到反向谐振峰值。
ｔ３￣ｔ４时段：ｔ３时刻以后，Ｌｒ向Ｃｒ反向充电，ｕＣｒ继续下降，直到ｔ４时刻ｕＣｒ＝０。
ｔ１到ｔ４时段电路谐振过程的方程为：ＬｄｉＬｄｔ＋Ｕｃｒ＝ＵｉＣｄＵｃｒｄｔ＝ｉＬＵｃｒｔ＝ｔ１＝Ｕｉ式（３－１）ｉＬｔ＝ｔ１＝ＩＬｔ∈［ｔ１，ｔ４］图５零电压开关准谐振电路原理及波形ｔ４￣ｔ５时段：ＶＤＳ导通，ｕＣｒ被箝位于零，ｉＬｒ线性衰减，直到ｔ５时刻，ｉＬｒ＝０。
由于这一时段Ｓ两端电压为零，所以必须在这一时段使开关Ｓ开通，才不会产生开通损耗。
ｔ５￣ｔ６时段：Ｓ为通态，ｉＬｒ线性上升，直到ｔ６时刻，ｉＬｒ＝ＩＬ，ＶＤ关断。
ｔ４到ｔ６时段电流ｉＬｒ的变化率为：ｄｉＬｒ／ｄｔ＝Ｕｉ／Ｌｒ。
ｔ６￣ｔ０时段：Ｓ为通态，ＶＤ为断态。
图６ｔ０￣ｔ２时段等效电路谐振过程定量分析求解式（３－１）可得ＵＣｒ（即开关Ｓ的电压ＵＳ）的表达式：Ｕｃｒ＝Ｌｒｒ姨Ｉ２Ｌｓｉｎωｒ（ｔ－ｔ１）＋Ｕｉωｒ＝１ＬｒＣｒ姨ｔ∈（ｔ１，ｔ４）式（３－２）ＵＣｒ的谐振峰值表达式（即开关Ｓ承受的峰值电压）：Ｕｐ＝ＬｒＣｒ姨Ｉ２Ｌ＋Ｕｉ式（３－３）零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：ＬｒＣｒ姨Ｉ２Ｌ≥Ｕｉ式（３－４）缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ｕｉ的２倍，增加了对开关器件耐压的要求。
３．２移相全桥型零电压开关ＰＷＭ电路同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通；移相全桥电路控制方式的特点：在开关周期ＴＳ内，每个开关导通时间都略小于ＴＳ／２，而关断时间都略大于ＴＳ／２；同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。
互为对角的两对开关Ｓ１－Ｓ４和Ｓ２－Ｓ３，Ｓ１的波形比Ｓ４超前０￣ＴＳ／２时间，而Ｓ２的波形比Ｓ３超前０￣ＴＳ／２时间，因此称Ｓ１和Ｓ２为超前的桥臂，而称Ｓ３和Ｓ４为滞后的桥臂。
图７移相全桥零电压开关ＰＷＭ电路图８移相全桥电路的理想化波形工作过程：ｔ０￣ｔ１时段：Ｓ１与Ｓ４导通，直到ｔ１时刻Ｓ１关断。
ｔ１￣ｔ２时段：ｔ１时刻开关Ｓ１关断后，电容Ｃ１、Ｃ２与电感Ｌｒ、Ｌ构成谐振回路，ｕＡ不断下降，直到ｕＡ＝０，ＶＤＳ２导通，电流ｉＬｒ通过ＶＤＳ２续流。
ｔ２￣ｔ３时段：ｔ２时刻开关Ｓ２开通，由于此时其反并联二极管ＶＤＳ２正处于导通状态，因此Ｓ２为零电压开通。
ｔ３￣ｔ４时段：ｔ４时刻开关Ｓ４关断后，变压器二次侧ＶＤ１和ＶＤ２同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Ｃ３、Ｃ４与Ｌｒ构成谐振回路。
Ｌｒ的电流不断减小，Ｂ点电压不断上升，直到Ｓ３的反并联二极管ＶＤＳ３导通。
这种状态维持到ｔ４时刻Ｓ３开通。
因此Ｓ３为零电压开通。
ｔ４￣ｔ５时段：Ｓ３开通后，Ｌｒ的电流继续减小。
ｉＬｒ下降到零后反向增大，ｔ５时刻ｉＬｒ＝ＩＬ／ｋＴ，变压器二次侧ＶＤ１的电流下降到零而关断，电流ＩＬ全部转移到ＶＤ２中。
３．３零电压转换ＰＷＭ电路图９升压型零电压转换ＰＷＭ电路的原理图（下转第５２７页）图１０升压型零电压转换ＰＷＭ电路的理想化波形零电压转换ＰＷＭ电路具有电路简单、效率高等优点。
工作过程：辅助开关Ｓ１超前与主开关Ｓ开通，Ｓ开通后Ｓ１关断。
ｔ０￣ｔ１时段：Ｓ１导通，ＶＤ尚处于通态，电感Ｌｒ两端电压为Ｕｏ，电流ｉＬｒ线性增长，ＶＤ中的电流以同样的速率下降。
ｔ１时刻，ｉＬｒ＝ＩＬ，ＶＤ中电流下降到零，关断。
ｔ１￣ｔ２时段：Ｌｒ与Ｃｒ构成谐振回路，Ｌｒ的电流增加而Ｃｒ的电压下降，ｔ２时刻ｕＣｒ＝０，ＶＤＳ导通，ｕＣｒ被箝位于零，而电流ｉＬｒ保持不变。
ｔ２￣ｔ３时段：ｕＣｒ被箝位于零，而电流ｉＬｒ保持不变，这种状态一直保持到ｔ３时刻Ｓ开通、Ｓ１关断。
ｔ３￣ｔ４时段：ｔ３时刻Ｓ开通时，为零电压开通。
Ｓ开通的同时Ｓ１关断，Ｌｒ中的能量通过ＶＤ１向负载侧输送，其电流线性下降，主开关Ｓ中的电流线性上升。
ｔ４时刻ｉＬｒ＝０，ＶＤ１关断，主开关Ｓ中的电流ｉＳ＝ＩＬ，电路进入正常导通状态。
ｔ４￣ｔ５时段：ｔ５时刻Ｓ关断。
Ｃｒ限制了Ｓ电压的上升率，降低了Ｓ的关断损耗。
４．结论（１）软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。
（２）软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。
按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关ＰＷＭ和零转换ＰＷＭ三大类。
每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。
（３）零电压开关准谐振电路、零电压开关ＰＷＭ电路和零电压转换ＰＷＭ电路分别是三类软开关电路的代表。
参考文献［１］孙树朴，李明，王旭光等．电力电子技术［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２０００．０３［２］黄家善．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．０７［３］龙志文．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０．０１（上接第５２５页）煤炭部门的收支平衡条件为ｘ１＝０．４ｘ２＋０．６ｘ３电力部门的收支平衡条件为ｘ２＝０．６ｘ１＋０．１ｘ２＋０．２ｘ３钢铁部门的收支平衡条件为ｘ３＝０．４ｘ１＋０．５ｘ２＋０．２ｘ３将上述３个方程联立，合并同类项，得到下列方程组ｘ１－０．４ｘ２－０．６ｘ３＝０－０．６ｘ１＋０．９ｘ２－０．２ｘ３＝０－０．４ｘ１－０．５ｘ２＋０．８ｘ３＝—０对上述方程组的系数矩阵作初等行变换把它变为行最简形，最后得到方程组的解为ｘ１＝０．９４ｘ３ｘ２＝０．８５ｘ３—，ｘ３为自由未知量这个经济问题的平衡价格向量为ｘ＝ｘ１ｘ２ｘ３——＝０．９４ｘ３０．８５ｘ３ｘ３——＝０．９４０．８５λ—１ｘ３任意（非负）ｘ３每取一个值都可以算出平衡价格的一种取值。
