PWM软开关电路剖析

软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制
引言
半桥DC/DC变换器结构简单，控制方便，非常适用于中小功率场合。

硬开关变换器高频时开关损耗很大，严重影响其效率。

软开关技术可降低开关损耗和线路的EMI，提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器体积和重量。

传统半桥变换器有两种控制方法，一种是对称控制，一种是不对称互补控制。

本文主要分析实现半桥DC/DC变换器软开关的PWM控制策略。

1 控制型软开关PWM 控制策略
控制型软开关半桥DC/DC变换器不增加主电路元器件(可增加电感电容元件以实现软开关条件)，通过合理设计控制电路来实现软开关。

图1给出4种控制型软开关半桥DC/DC变换器的PWM 控制策略。

移相全桥为主电路的软开关电源设计详解2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。

如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。

主电路分析这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。

采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。

电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。

图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。

通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

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。

几种典型的软开关电路分享目前（电力电子）设备的发展趋势都是小型化，同时对装置的效率和（电磁兼容）性有着很高的要求。

设备向着高频化的方向发展，这样可以减小（滤波器）、变压器等器件的体积和重量，实现小型化和轻重化; 但是高频化带来了开关损耗增大、效率下降和电磁干扰增大等影响。

这就引出了我们今天要讨论的（话题）——软开关技术：降低开关损耗和开关噪声; 大幅度提高开关频率。

1软开关基本概念聊软开关之前，我们先说一下硬开关(嗯，不能太"硬"，哈哈)硬开关开关过程中电压、（电流）均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗; 电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。

开关损耗(Eon+Eoff)与开关频率fsw之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。

以降压型电路为例，了解一下硬开关：理想化波形针对开通和关断过程的波形说明如下：关断过程开通过程软开关软（开关电路）中增加了谐振电感Lr 和谐振（电容）Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联（二极管）VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。

我们还以降压型电路为例，来了解一下软开关：降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。

关断过程开通过程零电压开关和零电流开关零电压开通：开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声;零电流关断：开关关断前其电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声;零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗;零电流开通：与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。