DC/DC功率變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及Pspice仿真

引言
隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各方面，目前功率變換器的開(kāi)關(guān)變換技術(shù)主要采用兩種方式：脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)和諧振變換技術(shù)。傳統(tǒng)的PWM控制方式由于開(kāi)關(guān)元件的非理想性，其狀態(tài)變化需要一個(gè)過(guò)程，即開(kāi)關(guān)元件上的電壓和電流不能突變，開(kāi)關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下接通或斷開(kāi)電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中伴隨著較大的損耗。變頻器工作頻率一定時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷一次的損耗也是一定的，所以開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越大，因而硬開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。相比之下軟開(kāi)關(guān)變換器的作用是，當(dāng)電壓加在器件兩端或者電流流經(jīng)器件時(shí)，抑制功率器件轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔,即軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，或是通過(guò)器件的電流為零。這種開(kāi)關(guān)方式明顯減小了開(kāi)關(guān)損耗，不僅可以允許更高的開(kāi)關(guān)頻率以及更寬的控制帶寬，同時(shí)又可以降低dv/dt 和電磁干擾。本文為了更好地說(shuō)明不同軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的區(qū)別，采用Pspice軟件對(duì)其中兩種有代表性的變換電路進(jìn)行了仿真和分析。

圖1 升壓半波模式的零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器原理圖

圖2 開(kāi)關(guān)管通斷及其所受電壓應(yīng)力仿真波形

圖3 升壓零電壓PWM變換器原理圖

圖4 主副開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)仿真波形
軟開(kāi)關(guān)的原理
諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)的核心問(wèn)題是為器件提供良好的開(kāi)關(guān)工作條件，使得器件在零電壓或零電流條件下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而把器件的開(kāi)關(guān)損耗降到最低水平。
軟開(kāi)關(guān)下的器件通斷可以明顯減少功率的開(kāi)關(guān)損耗。
減小開(kāi)關(guān)損耗通常有以下兩種方法：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，使其電流保持在零或抑制電流上升的變化率，減少電流與電壓的重疊區(qū)，從而減少開(kāi)通的功率損耗，即零電流導(dǎo)通；在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓導(dǎo)通。
減小關(guān)斷損耗有以下兩種方法：開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前，減小或消除加在其上的電流，即零電流關(guān)斷；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓關(guān)斷。

DC/DC變換器
軟開(kāi)關(guān)的分類及特點(diǎn)
DC/DC功率變換器目前所采用的幾種方法如下：諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器、零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器、零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器、零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器。
諧振變換器
該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振電路的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，也可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器；另一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過(guò)程。其缺點(diǎn)是：該變換器輸出性能與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，電壓調(diào)節(jié)一般采用頻率調(diào)制方法，濾波電路參數(shù)難于選擇，并且電路稍顯復(fù)雜。