下载文档原格式
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。
什么是电力电子中的软开关技术？在当今的电力电子领域，软开关技术正扮演着越来越重要的角色。
那么，究竟什么是软开关技术呢？要理解软开关技术，我们首先得从电力电子电路中的开关说起。
在传统的电力电子电路中，开关的开通和关断过程往往不是理想的。
当开关开通时，电流会从零逐渐上升；而当开关关断时，电压会从零逐渐上升。
这种非理想的开关过程会导致开关损耗的产生。
开关损耗主要包括导通损耗和开关过程中的损耗。
导通损耗是由于开关在导通状态下存在一定的电阻，电流通过时会产生功率损耗。
而开关过程中的损耗则更为复杂，在开关开通和关断的瞬间，电压和电流会有重叠的时间段，这期间会产生较大的功率损耗，并且还会引起电磁干扰等问题。
为了降低这些损耗，提高电力电子装置的效率和性能，软开关技术应运而生。
软开关技术的核心思想是让开关在电压或电流为零的时候进行开通或关断，从而减少甚至消除开关过程中的损耗。
具体来说，软开关技术可以分为零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）和零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）两种类型。
零电压开关是指在开关开通前，其两端的电压已经降为零，这样在开通瞬间就不会有电压和电流的重叠，从而大大降低了开通损耗。
实现零电压开关的常见方法是在开关两端并联一个电容，利用电路中的电感和电容的谐振，使得开关两端的电压在开通前降为零。
零电流开关则是在开关关断前，通过电路的设计让流过开关的电流先降为零，从而避免了关断时电压和电流的重叠，降低了关断损耗。
通常通过在开关支路串联电感来实现零电流关断。
软开关技术的实现需要依靠合理的电路拓扑结构和控制策略。
常见的软开关电路有准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转换 PWM 电路等。
准谐振电路是最早出现的软开关电路之一，它利用电感和电容的谐振来实现软开关，但存在着电压和电流应力大、工作频率不固定等缺点。
零开关 PWM 电路在准谐振电路的基础上进行了改进，通过引入辅助开关，实现了恒定频率的控制，同时降低了电压和电流应力。
软开关技术
软开关技术开发的原因
硬开关是不管开关管上的电压或电流，强行接通或关断开关管。
当开关管(漏极和源极之间，或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时，切换开关管，由于开关管状态间的切换(由导通到截止，或由截止到导通)需要一定的时间，这样就会造成在开关管状态切换的某一段时间内，电压和电流有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗(开关管的切换损耗)随开关频率的提高而急速增加。
若是感性负载，在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。
开关频率越高，关断越快，该感应电压越高。
此电压加在开关器件两端，容易造成器件击穿。
若是容性负载，在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。
因此，当开关晶体管在很高的电压下接通时，储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。
频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起开关管的过热损坏。
另外，在次级高频整流回路中的二极管，在由导通变为截止时，有一个反向恢复期，开关晶体管在此期间内接通时，容易产生很大的冲击电流。
显然频率越高，该冲击电流也越大，对开关晶体管的安全运行造成危害。
最后，做硬开关运用的开关电源中，开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。
随着频率的提高和电路中的di/dt和du/dt增大，所产生的电磁骚扰也在增大，影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。
上述问题严重阻碍了开关器件(开关晶体管和高频整流二极管)工作频率的提高。
近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。
和硬开关工作原理不同，理想的软关断过程是电流先降小到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已经下降到零，便解决了感性关断问题。
理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压也为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题不存在。
什么是软开关技术
软开关技术还有助于电磁骚扰水平的降低，其原因是开关晶体管在零电压的情况下导通和在零电流的情况下关断，同时快恢复二极管也是软关断的，这可以明显减小功率器件的di/dt和du/dt，从而可以减小电磁干扰的电平。
一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损)；操作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以开关电源的体积可以做到更小。
但成本也相对较高，设计较复杂。
软开关电源是相对于硬开关电源而言的。
人们通常所说的开关电源，指的是硬开关电源。
这种电源，开关器件（开关管）是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即所谓开关损耗。
电源的工作状态一定时，开关器件开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗也就越大。
同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电
容的振荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，因而硬开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施。
软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关，或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。
这种开关方式显著地减小了开关损耗的开关过程中激起的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为开关电源小型化、高效率创造了条件。
谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零电压开关脉冲调宽变换器、零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零电流转换全桥直流/直流变换器及钳位吸收技术均可实现软开关电源。
谐振变换器实际上是负载谐振型变换器，按谐振元器件的谐振方式可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器;按负载与电路的连接关系可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。
在谐振变换器中，谐振元器件自始至终处于谐振的工作状态，参与能量变换的全过程。
这类变换器对负载变化很敏感，一般采用频率调制的控制方法。
准谐振变换器和多谐振变换器的特点是谐振元器件参与能量变换的某一阶段，不是全程参与。
这类变换器需要采取频率调制控制方法。
零电压开关脉冲调宽变换器和零电流开关脉冲调宽变换器是在准谐振变换器的基础上，增加一个辅助开关管来控制谐振元器件的谐振工作过程，实现恒定频率控制。
它与准谐振变换器的不同之处在于谐振元器件的谐振时间与开关周期相比是非常短的，一般是开关周期的1/5～1/10。
零电压转换脉冲调宽变换器和零电流转换脉冲调宽变换器的特点是变换器工作在脉冲调宽的方式下，电路简单，工作稳定，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作，实现开关管的软开关，其他时间停止工作。
移相控制零电压转换全桥式直流/直流变换器和移相控制零电流转换全桥式直流/直流变换器及两者混合式的变换器是大中功率软开关电源的主要形式。
这类变换器通过改变全桥对角线上下开关管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂开关管的控制极上的电压领先于滞后臂开关管控制极上的电压一个相位，并在控制器的控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容及变压器初次级之间寄生电容来完成谐振过程，实现零电压或零电流开通或关断，错开开关器件大电流与高电压同时出现的硬开关状态，抑制感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高，减小了开关损耗与干扰。
钳位吸收电路可以抑制开关器件的浪涌电压或电流，降低开关管的d u/dt和d i/dt的影响，大幅度地减小开关损耗，使电路中的储能被利用或反馈到电网，具有“软化”开关过程的作用，所以有人称之为广义软开关变换器或钳位变换器。
软开关的具体应用
如今软开关变换器都应用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。
为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。
组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损
耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被ZCT、ZVT谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。
换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四种状态的任意组合。
由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。
