功率变换器开关频率的提高将受以下因素的限制: ①在通断瞬间切换过程中, 功率器件的开关应力。②开关损耗。③剧烈的d i/ d t 和d u/ d t 冲击及其产生的电磁干扰(EMI) 。

　　软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。

　　为此先后有人提出了谐振变换器( resonantconverter) , 准谐振变换器(quasi resonant converter)和多谐振变换器(muti resonant converter) , 零开关PWM 变换器(zero switching PWM converter) , 零转换PWM变换器(zero transition PWM converter) 及无源无损缓冲电路(passive lossless snubber circuit) 等多种软开关技术。

　　谐振变换器

　　谐振变换器实际上是直流开关电源负载谐振变换器, 在20世纪70 年代最早被提出来, 它通过在标准PWM变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到。按照谐振元件的谐振方式, 可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类; 按负载与谐振电路的连接关系, 又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振, 使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形, 开关元件在电流或电压的过零处开通或关断, 实现软开关过程。

　　准谐振变换器和多谐振变换器

　　20 世纪80 年代初, 美国弗吉尼亚电力电子中心(UPEC) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关, 即在直流开关电源基本PWM 开关上增加一些谐振元件,它也是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合, 谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM 开关串联, 利用电感中谐振电流过零点时, 使开关零电流关断; 零电压谐振开关是将谐振电容与PWM 开关并联, 利用电容两端谐振电压过零点时, 使开关零电压开通。它们各有L 型和M 型两种电路方式, 而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通, 又可分为半波模式和全波模式

　　谐振开关实现了软开通或关断, 减少了开关损耗, 但其开关器件的通态电流或断态电压应力大。因开关器件工作频率不恒定, 为保持输出电压在各种条件下基本不变, 必须采用变频控制方法, 然而该控制方式比PWM变换器复杂, 而且变压器、电感等磁性元件要按{zd1}频率设计, 实现{zy}设计困难。因此, 谐振开关一般应用在小功率低电压而且对体积和重量要求十分严格的场合, 比如宇航电源和程控交换机的DC-DC 电源模块。

　　此外, 根据直流开关电源谐振软开关技术原理, 人们还提出过在PWM开关内综合准谐振零电流和准谐振零电压的多谐振开关, 它一般能实现开关管的零电压开关, 但还是只能采用频率控制方法。实际常常用零电压多谐振变换器, 主要是因为它吸收了开关管和整流二极管的结电容, 同时实现了开关管和整流二极管零电压开关, 而且它的开关管的电压应力与零电压准谐振相比要小得多。

　　零开关PWM变换器

　　零开关PWM 变换器包括零电压PWM 变换器和零电流PWM变换器, 它们是在准谐振软开关的基础上, 加入一个辅助开关管, 来控制谐振元件的谐振过程, 实现PWM 控制。它只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用PWM 工作方式, 从而既能克服硬开关PWM 在开关过程中的三大缺陷, 又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。

　　文献1提出一种新颖的混合式全桥PWM变换器, 它不仅能在不增加导通损耗的情况下实现空载下ZVS 条件, 而且能使输入输出的滤波波形几乎为理想的, 从而减少了输入输出的滤波装置。

　　零转换PWM变换器

　　零转换PWM 变换器包括ZVT-PWM 变换器和ZCT-PWM变换器, 其谐振网络是与主开关并联的。

　　在直流开关电源开关转换期间, 并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后, 电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此, 零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点, 又综合了它们的优点。为此, 该类变换器在中大功率场合得到广泛应用, 并具有如下优点: ①采用PWM 控制方式, 实现恒定频率控制。②辅助电路只是在开关管开关时工作, 其他时候不工作, 而且是与主功率回路相并联, 不需要处理很大的环流能量, 从而减小了辅助电路的损耗。③辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。

　　当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM 技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM 工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。