零电压开关准谐振电路

零电压开关简介

零电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。20世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。

PWM开关电源按硬开关模式工作（开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠），因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。20世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（20世纪80年代中）全桥移相ZVS-PWM，恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM（上世纪80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM（20世纪90年代初）全桥移相ZV-ZCS-PWM（20世纪90年代中）等。我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93%。

零电压开关准谐振电路

将开关Sl同电容Cl并联，就构成了零电压（ZVS）开关。原理框图如图11.17：同样，依据开关中电流的流向分为半波型和全波型。谐振型开关技术解决了常规的PWM开关电路在开关切换时开关管损耗过大的问题。谐振型开关在零电流和零电压时进行切换，大大减小了切换损耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的问题。谐振型开关转换技术分为谐振、准谐振、多谐振三种，这里不一一举例。

谐振型开关转换技术特点是不需要增加额外功率开关管实现单管变换器开关管零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）。这类变换器不同于脉宽调制（PWM）技术，有器件应力高、循环能量大和变频控制等缺点。此外，由于谐振电源中传输的是正弦波，PWM电路中传输的是方波，正弦波包含的能量没有方波高。经过谐振型开关电源减低了开关损耗，可是传递的能量也下降了，所以整体转换效率并不比PWM电路高多少。人们希望将两种拓扑结构结合起来。首先利用脉宽调制提供方波电压、电流，对于同样的电流，不仅提供更多的功率，同时开关管保持较低的导通损耗。

其次，利用零电压谐振技术，在开关管上的电压达到零以后再转换。然后再改变两组方波之间的相移进行控制，电路工作在恒定的开关频率上，这种相移零电压技术，采用全桥变换器很容易实现。全桥变换的好处是利用4个晶体管可以方便地实现ZVT或ZCT，同时可输出大的功率，这是多管隔离型直流变换器得到广泛应用的原因。

零电压准谐振开关电路

1、准谐振电路结构

主开关电路为零电压半波准谐振升压变换器，如图2所示。

设计零电压准谐振电路有两种方式：一是全波型，二是半波型。零电压准谐振电路的全波型比半波型多串联了一个反向二极管。在开关过程中，全波型串联二极管起到反向电流阻止作用，但开关中的结电容的能量在开关关断期间被储存，在开关导通期间承受电容导通的损耗，这在高频下工作是不利的，所以准谐振变换器的方式，在高频情况下一般选择零电压半波准谐振变换器电路。

2、基本工作原理

准谐振变换器的特性受谐振电路中Lr、Cr的影响很大，分析工作原理时，需引入下述参数：特性阻抗规一化开关频率规一化负载电阻谐振角频率

电压变比n=UO/Ui

零电压半波准谐振变换器，在稳态工作下，一个完整的开关周期可分为四个阶段，其等效电路如图3所示。

将输入部分看作恒流源Ii，输出负载部分看作电压负载UO，零电压准谐振变换器典型波形如图4所示。

零电压开关技术的应用

对降压稳压器的关键要求通常是尺寸和效率。由于印制电路板面积弥足珍贵，哪个设计人员也不愿意分配额外的空间给功率设计方案。此外，由于单片机和数字信号处理器（DSP）不断推陈出新，电路板设计方案也不断升级，尽管功率有所增加，但产品尺寸却不能增大了。因此，高密度稳压器便随着最新IC集成度的提高、MOSFET技术的提升及封装工艺的改良而不断发展。纵使这样，这些稳压器还是无法满足新系统的应用要求。尤其是系统内部的功率密度正日益提高。其主要原因是开关损耗阻碍稳压器MOSFET的内部性能。如果不从根本上解决这些损耗问题，那么只能期望一些微小的性能提升。