在上一篇中，我們建立了諧振電路系統(tǒng)的時域模型和頻域模型，簡單地分析了單管并聯(lián)諧振電路實(shí)例中諧振網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)零電壓（ZVS）開通的機(jī)理。在我的日常工作中，看到了有太多的同行對軟開關(guān)概念及其實(shí)現(xiàn)方式非常感興趣，但是一般的教科書本里的講解只是在針對某個電路拓?fù)渚褪抡撌?，各種公式，模態(tài)，圖形看得讓人眼花繚亂。這讓很多從業(yè)人員望而生畏，不求甚解。所以今天這篇文章，我們就從軟開關(guān)最基本的概念講起，結(jié)合五個典型的電路，盡量避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)，一起來看看軟開關(guān)（特別是ZVS），究竟是怎么一回事兒。

一.什么是軟開關(guān)

在對軟開關(guān)基本概念做介紹之前，我們首****先看看硬開關(guān)在電路系統(tǒng)中存在的問題 。下面三張波形圖及后文中全英文的圖片引自南京航空航天大學(xué)任小永老師的 功率電子學(xué) 。

第1個問題：高頻時的開關(guān)損耗問題

以IGBT為例（下文同），硬開關(guān)的開關(guān)過程中，器件Vce電壓與溝道電流Ic(圖中分別用u，i表示）的交疊時間內(nèi)產(chǎn)生的損耗能量全部轉(zhuǎn)化成了器件半導(dǎo)體芯片的熱能，并且器件的損耗功率與開關(guān)頻率成正比。因此當(dāng)開關(guān)頻率推向高頻時，硬開關(guān)帶來的開關(guān)損耗變大，器件溫升變高，可能使得器件芯片結(jié)溫超過規(guī)定的最高溫度產(chǎn)生失效。

第2個問題：器件的安全工作區(qū)問題

硬開關(guān)過程中，如果線路中的寄生電感電容參數(shù)較大，器件在開關(guān)過程容易發(fā)生振蕩，使得其電壓電流應(yīng)力超過器件允許的安全工作區(qū)。為避免這一安全隱患，器件必須大幅降額使用，從而使得器件的利用率低（例如本來100V輸入的場合，VDS產(chǎn)生了200V的震蕩尖峰，就必須使用至少300V耐壓的器件），這樣就增加了器件的成本。

第3個問題：電磁干擾（EMI)問題

在硬開關(guān)過程中，器件的Vce電壓的變化斜率dv/dt和Ic電流的變化斜率di/dt，都會給電路系統(tǒng)帶來EMI噪聲。這里我們不做過多的敘述（之前有讀者希望我能寫這方面的內(nèi)容，但其實(shí)我也沒有太多經(jīng)驗，不能誤人子弟啊）

為了實(shí)現(xiàn)避免硬開關(guān)帶來的這些問題，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生：

如下圖， 在Vce電壓降到零后再開通器件，是零電壓開通；在Ic電流降到零后再關(guān)斷器件，是零電流關(guān)斷 。圖中驅(qū)動電壓未給出，讀者自行思考驅(qū)動波形。

這里，我們需要知道， 軟開關(guān)是一種技術(shù)， 包括 零電壓開通（ZVS） 技術(shù)和零****電流關(guān)斷（ZCS）技術(shù) ，是為了優(yōu)化電路某些方面性能而產(chǎn)生的技術(shù)，并不是一個具體的電路，更不是指某種特別的開關(guān)。

那么，怎樣實(shí)現(xiàn)這個技術(shù)呢？

搭配諧振網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)。

上一篇我們提到的單管并聯(lián)諧振電路就是一種實(shí)現(xiàn)方法。今天我們 再繼續(xù)詳細(xì)介紹幾種零電壓開通（ZVS)的實(shí)現(xiàn)方法 （零電流關(guān)斷的方法請感興趣的讀者自行查閱相關(guān)資料）。在此之前，我們先看一些軟開關(guān)技術(shù)的嘗試，這些方法并未真正實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但可以給我們提供一些思路，我們姑且稱其為弱化版的軟開關(guān)技術(shù)。

二.弱化版ZVS技術(shù)

例1.Boost電路的斷續(xù)模式

這里，我們考慮最基本的電力電子電路之一，Boost電路。其中Q1為IGBT，D1為與IGBT合封的二極管，我們知道，根據(jù)負(fù)載電流的大小和開關(guān)頻率等條件，Boost電路可以工作在 連續(xù)模式、斷續(xù)模式、臨界連續(xù)模式 。在斷續(xù)模式，Boost電路一共有三個模態(tài)：

模態(tài)1,開關(guān)管導(dǎo)通，電源電壓直接加在電感L兩端，電感電流上升，電感儲能，此時開關(guān)管兩端電壓Vce=0（忽略飽和壓降）

模態(tài)2，開關(guān)管關(guān)斷，由于電感的能量不能突變，電感電流只能改變流通路徑，轉(zhuǎn)向二極管D的那條支路，迫使二極管D導(dǎo)通，給電容C充電的同時給負(fù)載提供能量，此時電感兩端電壓翻轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓（Vin-Vo<0)，電感電流下降，開關(guān)管兩端電壓Vce=Vo(忽略二極管壓降）

模態(tài)3，由于電路工作在斷續(xù)模式，電感電流下降至零后，一個開關(guān)周期還沒有結(jié)束，此時會發(fā)生什么呢？

當(dāng)電感電流降至零后，電感儲能為零。此時似乎再沒有電流傳輸路徑了，但我們要考慮到，實(shí)際的開關(guān)器件都不是理想的開關(guān)，而是帶有一定寄生參數(shù)的。這里，我們需要考慮到IGBT的結(jié)電容Coes和二極管的結(jié)電容Cd，此時電路模型變成下圖：

在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸出電容C上的輸出電壓可以認(rèn)為是不變的，因此可以把C及R等效為一個直流電壓源。可以簡化得到此時的諧振網(wǎng)絡(luò)如下圖

其中iL(0_),ud(0_),ucoes(0_)分別為電感電流剛下降至零時的狀態(tài)量。這樣，我們就可以用上一篇中提到的頻域的方法或時域的方法求解模態(tài)3的Coes兩端電壓。根據(jù)圖中的模型，我們得到的Coes兩端的電壓振動必然是一個諧振動，因為上面的模型沒有考慮到線路中任何的寄生電阻。

當(dāng)我們把各個元器件及線路的寄生電阻加上后，則電路模型可由下圖表示。圖中，R1，R2，R3分別為電源支路，開關(guān)管支路，二極管支路的等效寄生電阻。 這個電路模型才是符合實(shí)際的阻尼振動模型 ， 開關(guān)管寄生電容Coes的初始能量被逐漸消耗 ，如果開關(guān)周期足夠長，那么最Coes兩端的電壓就會達(dá)到一個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定值即為輸入電壓Vin，二極管D兩端的電壓同樣會穩(wěn)定在Vo-Vin這個值。

那么，我們能否利用這個電路斷續(xù)時的諧振過程，去實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)呢？

很遺憾，答案是否定的。因為結(jié)電容中的儲存的能量實(shí)在太小，不足以使得IGBT的VCE電壓再次諧振到零。

但是我們可以退而求其次，找到一個與軟開關(guān)接近的近似的解--谷底開通。在阻尼諧振過程中，當(dāng)IGBT的Vce諧振達(dá)到谷底時，我們再開通IGBT。 在IGBT開通前，Vce電壓被大大減小，雖然此時仍然是硬開關(guān)，但硬開關(guān)帶來的損耗溫升EMI問題都被大幅減小 ，何樂而不為呢？

谷底開通技術(shù)被廣泛使用在另一個基本電力電子電路中---反激(Flyback)電路。接下來，我們來介紹Flyback電路中的諧振。

例2.反激電路的斷續(xù)模式諧振

同樣考慮反激電路的斷續(xù)工作模態(tài)3：與Boost斷續(xù)模式類似，上一個模態(tài)結(jié)束時，變壓器中儲存的能量剛好釋放完，二極管D續(xù)流剛好結(jié)束，副邊電流為零。此時輸出電容及負(fù)載，副邊二極管結(jié)電容Cd，原邊開關(guān)管寄生電容Coes，變壓器T，輸入電壓源，組成諧振網(wǎng)絡(luò)如下：（考慮了線路中的寄生電阻，并應(yīng)用變壓器的漏感模型，同時忽略變壓器的層間電容，匝間電容等寄生參數(shù)）

將圖中變壓器二次側(cè)的電路折合到原邊，則可得到如下模型：

針對該模型，我們同樣可以用上一篇中的頻域方法，得到Coes電壓的解析表達(dá)式。值得注意的是，電路模型中Coes和Cd都是隨開關(guān)器件兩端電壓變化而高度非線性變化的，不能看成常數(shù)。篇幅有限，這里我們不做太多的運(yùn)算推導(dǎo)，直接給出一張斷續(xù)反激的Vce電壓（實(shí)際是Vds)波形，讓大家對這個諧振過程有個直觀的認(rèn)識。

從上圖可以看到，每個周期的開通點(diǎn)都在諧振波形的谷底處，這樣大大減小了開通損耗。這種控制方式叫準(zhǔn)諧振控制，是提高反激變換器效率的重要手段，其關(guān)鍵點(diǎn)在于尋找谷底。諧振過程是一個阻尼振動過程，選擇第幾個谷底作為開通點(diǎn)，則需要綜合考慮輸出電壓穩(wěn)壓和輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)，這里我們不做過多闡釋。

總結(jié)前文中的兩個電路，我們可以看到，為了實(shí)現(xiàn)零電壓開通，必須想辦法把IGBT器件的Vce電壓降到零。如果諧振的初始能量不夠，則難以通過諧振將IGBT的電壓降到零。至此，我們找到了實(shí)現(xiàn)ZVS的第一個條件，足夠的諧振能量。

接下來，我們來看ZVS的第二個條件。

三.感性換流支路

我們知道，電感電流不能突變，是指電感的儲能是連續(xù)的。當(dāng)線路中電感電流存在兩條通路時，電流必定是先走阻抗更小的支路。但是當(dāng)這條阻抗小的支路被阻斷時，例如該支路中存在的有源器件被關(guān)斷，為了維持電感能量的連續(xù)，那么電感電流只能通過另外一條支路流通。我們的基本電力電子電路，包括BUCK電路、Boost電路等，都是利用了這個思想。

實(shí)現(xiàn)ZVS的器件，都是雙向器件。所謂雙向器件，即電流既可以從溝道 正向流通 ，也可以通過其寄生的 二極管 （或者IGBT合封二極管、或者外部并聯(lián)的二極管）負(fù)向流通。

當(dāng)器件的Vce電壓（或Vds電壓）被外部諧振手段降到零后，感性能量強(qiáng)制使得并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，此時器件的Vce電壓被箝位在二極管的正向?qū)▔航担梢哉J(rèn)為是零），在并聯(lián)二極管導(dǎo)通的過程中開通器件，即實(shí)現(xiàn)了器件的零電壓開通（ZVS）。

我們以下圖為例說明：

初始狀態(tài)，Q1開通，Q2關(guān)斷。正向的電感電流只通過Q1溝道導(dǎo)通（Q1溝道阻抗小)，當(dāng)Q1關(guān)斷，則可以通過諧振網(wǎng)絡(luò)（圖中沒有表現(xiàn)出來）的方法，使得Q2的寄生電容C2的電壓從Vbus降到零。這時，由于Q1已經(jīng)關(guān)斷，電感電流需要尋找另外一條路徑導(dǎo)通，顯然只能從Q2的并聯(lián)二極管導(dǎo)通。在D2導(dǎo)通期間，給Q2發(fā)驅(qū)動信號，開通Q2，即實(shí)現(xiàn)了下管Q2的ZVS。

可見， 要實(shí)現(xiàn)ZVS，需要感性換流后開關(guān)管并聯(lián)的二極管流通電流 。接下來我們再舉幾個實(shí)現(xiàn)了ZVS的電路例子，并分析第三個條件。

四.ZVS電路實(shí)例

前文中我們提過，需要諧振網(wǎng)絡(luò)配合去實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。這里，我們列舉幾個將諧振網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電路中實(shí)現(xiàn)ZVS的例子。

1.半波準(zhǔn)諧振ZVS

大家不要被這個奇怪的名字嚇倒， 本質(zhì)上這個電路是PWM電路和諧振電路結(jié)合的典型實(shí)例 。值得注意的是，這里的準(zhǔn)諧振和反激電路的準(zhǔn)諧振是兩個概念，請不要混淆。相信大家已經(jīng)有了PWM電路的基礎(chǔ)后，再結(jié)合我前面所講解的，來看這個電路會比較簡單。（有興趣的讀者可以對比這個電路和我們上一篇中的電磁爐電路）

這個電路的拓?fù)鋱D，模態(tài)分析及簡單描述在下面圖片中（同樣引自南航任小永老師的PPT），這里我們還是針對這個電路詳細(xì)分析。

模態(tài)1，t0-t1：t0時刻，開關(guān)管Q剛關(guān)斷時，諧振電容Cr的電壓為零，諧振電感Lr的電流為零（這表示此時的諧振網(wǎng)絡(luò)中沒有初始能量），Cr電壓遠(yuǎn)低于輸出電壓，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)。但此時電源的能量通過輸入側(cè)的大電感Lb（輸入可以看做電流源），逐漸儲存到諧振電容中，諧振電容電壓Vcr被抬高，直至Vcr=Vo;

模態(tài)2，t1-t1a：t1時刻，諧振電容電壓與輸出電壓相等，二極管D開始導(dǎo)通，此時，諧振網(wǎng)絡(luò)形成，其等效電路如下：

可以看到，雖然電路拓?fù)湓?shù)較多，模態(tài)復(fù)雜，但是諧振網(wǎng)絡(luò)形式卻非常簡單。模型中諧振電容的初始電壓ucr(0_)=Vo。（ 感興趣的讀者可以寫出此時電容電壓和電感電流的表達(dá)式 ，作出其波形）。經(jīng)過1/4的諧振周期后（t1a時刻），諧振電容電壓達(dá)到最大值，諧振電感電流達(dá)到輸入電流Iin。

下圖為模態(tài)2與模態(tài)3的電流流通路徑圖

模態(tài)3，t1a-t2：諧振過程繼續(xù)進(jìn)行，此時的諧振電容電壓開始下降，如果諧振能量足夠大，諧振電壓振幅大于輸出電壓Vo，則可以將諧振電容電壓Vcr降至零。注意到，諧振電容與開關(guān)管Q并聯(lián)，諧振電容電壓降到零，意味著開關(guān)管Q的電壓降到零。

模態(tài)4，t2-t3：t2時刻，Vcr電壓降到零，電感電流需要換流，從那條支路換？----二極管DQ1支路。 在二極管DQ1流通電感電流的過程中開通Q1時，便實(shí)現(xiàn)了ZVS。 那么，這個二極管導(dǎo)通過程持續(xù)多久呢？二極管DQ1導(dǎo)通后，諧振電感Lr兩端電壓被箝位在了輸出電壓Vo,故電感電流會線性下降。而諧振電感電流由兩部分組成，輸入電流Iin和二極管DQ1電流Idq1相加（KCL定律）。輸入電流可以認(rèn)為是恒流，所以二極管DQ1電流也是線性下降的，下降的斜率由輸出電壓Vo值和諧振電感感量Lr決定。這里我們先埋個坑，請讀者思考：如果錯過了二極管導(dǎo)通電感電流的時機(jī)，在二極管續(xù)流結(jié)束后再開通Q，會發(fā)生什么？

模態(tài)5，t3-t4：當(dāng)諧振電感電流下降至零后，諧振網(wǎng)絡(luò)中的能量全被傳送到了輸出側(cè)。此時諧振電容電壓為零，低于輸出電壓Vo，輸出二極管D截止，諧振網(wǎng)絡(luò)自然斷開，輸出與輸入脫離。開關(guān)管Q已導(dǎo)通，輸入電流通過開關(guān)管Q導(dǎo)通，為下一個周期的諧振做準(zhǔn)備。

以上就是這個電路的模態(tài)分析。

這里，我們看到了前文中提到的實(shí)現(xiàn)ZVS的兩個條件：

1）足夠的諧振能量，使得諧振能將開關(guān)管Q的Vce電壓降到零，在這個場合表現(xiàn)為諧振電壓振幅必須大于Vo。

2）換流支路，DQ1必須存在。

接下來我們結(jié)合上一篇中提到的電磁爐并聯(lián)諧振拓?fù)潢U述 第三個條件 ：合適的開通時機(jī)。

2.單管并聯(lián)諧振拓?fù)?/p>

上一篇中，我們提到了電磁爐應(yīng)用的單管并聯(lián)諧振拓?fù)洌唵蔚亟榻B了其四個模態(tài)，并介紹了其ZVS實(shí)現(xiàn)情況?，F(xiàn)在，電路參數(shù)設(shè)置已經(jīng)滿足了以上兩個條件（能量和換流支路），下面我們來關(guān)注這個電路的ZVS實(shí)現(xiàn)情況。

1）下圖是正常ZVS時的情況，當(dāng)Vce電壓（藍(lán)色）等于零時，開通器件，ZVS ON，橙色是IGBT電流，負(fù)值表示電流通過二極管流通，正值表示通過IGBT溝道流通。n_17為驅(qū)動信號。

2）下圖是未實(shí)現(xiàn)ZVS的典型情況，由于在二極管續(xù)流階段未及時開通IGBT，導(dǎo)致諧振電容電壓再次起振（阻尼振動），Vce電壓不再為零，從而失去了實(shí)現(xiàn)ZVS的條件。

這樣，我們可以看到， 實(shí)現(xiàn)ZVS，還需要找到合適的開通時間點(diǎn) 。

至此，我們闡述了實(shí)現(xiàn)ZVS的三個條件，不知道大家對軟開關(guān)ZVS這種現(xiàn)象是否有了更深刻的理解呢？

我們回顧上文中列舉的兩個電路案例，其感性電流的換流情況都是 從外部諧振電容支路換到了二極管支路 。下面，我們再舉一例從****開關(guān)管溝道換流到二極管支路的情況 。

3.移相全橋ZVS電路

移相全橋電路是電力電子技術(shù)中大功率場合的常用拓?fù)?。四個功率半導(dǎo)體組成的橋式電路，既可以用于恒壓輸入場合，也可以用于恒流輸入場合。在恒壓輸入場合，橋式電路使用移相控制的方式，能很方便地獲得ZVS的條件。接下來我們針對這個電路做一點(diǎn)簡單的分析。（這里我們還是引用任老師的PPT）

為了簡化問題，我們只關(guān)注****兩個關(guān)鍵模態(tài) 。

第一個關(guān)鍵模態(tài)如下圖。

這個模態(tài)是指，Q1關(guān)斷后，四個開關(guān)管中只有Q4的驅(qū)動電平為高，即只有Q4的溝道是導(dǎo)通的（在此之前，感性電流通過Q1和Q4的溝道流通）。此時由于電感Lr還在流通感性電流，這個感性電流迫使Q1和Q2的結(jié)電容充放電（本質(zhì)上還是一個諧振過程，但電感能量相對電容能量大很多，故可以將電感電流看成恒流源），使得Q2的結(jié)電容的電壓從Vin下降至零。只要Q1關(guān)斷前電感Lr的電流足夠大，那么Q2結(jié)電容電壓必定可以被拉到零。此后，感性電流再通過Q2的并聯(lián)二極管D2導(dǎo)通，提供了實(shí)現(xiàn)ZVS的條件。

我們把Q1，Q2所在的橋臂成為超前橋臂， 超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS是相對容易的，因為此時原邊還在向副邊傳遞能量，電感電流與負(fù)載電流滿足變壓器變比關(guān)系，本質(zhì)上諧振能量是來源于負(fù)載（可以等效成恒流源折合到原邊）。 所以對于電壓型移相全橋電路而言，重載更容易實(shí)現(xiàn)ZVS。

第二個關(guān)鍵模態(tài)如下圖

這個模態(tài)是指，Q4關(guān)斷后，四個開關(guān)管中只有Q2的驅(qū)動電平為高，即只有Q2的溝道是導(dǎo)通的（在此之前，感性電流通過Q2和Q4的溝道流通，兩個橋臂中點(diǎn)電壓為零）。此時由于副邊的二極管還處于換流階段，副邊兩個二極管同時導(dǎo)通，變壓器被短路。所以諧振網(wǎng)絡(luò)是諧振電感Lr及C3，C4的兩個結(jié)電容，諧振能量完全來源于此時電感的儲能。如果能量足夠大，便能將C3的電壓降至零，從而D3導(dǎo)通，完成ZVS。但更多的情況是此時的能量不足，Q3依舊是硬開關(guān)。

Q3,Q4所在的橋臂稱為滯后橋臂，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS是不容易的，因為他們實(shí)現(xiàn)ZVS的能量來源是電感Lr的初始儲能，沒有依靠負(fù)載的能量。

以上移相全橋電路的例子，就沒有利用外部的諧振電容，只是利用了開關(guān)管的寄生電容和變壓器漏感（諧振電感)，并且感性電流從溝道換流到了寄生電容再換流到二極管，同樣也能實(shí)現(xiàn)ZVS。

總結(jié)：

至此，我們一共列舉了五個例子來闡述軟開關(guān)ZVS與諧振的關(guān)系。

第一部分我們提到了Boost電路的斷續(xù)狀態(tài)和斷續(xù)反激電路的準(zhǔn)諧振控制，第二部分提到了給出了感性換流的概念，第三部分給出了真正實(shí)現(xiàn)ZVS的三個實(shí)例，包括半波準(zhǔn)諧振ZVS電路，單管并聯(lián)諧振電路和移相全橋電路，提煉出了實(shí)現(xiàn)ZVS的三個條件：

1）足夠的諧振能量；

2）感性換流支路；

3）合理的開通時間點(diǎn)。

希望本文的梳理能讓大家對軟開關(guān)（特別是ZVS）這個概念有更深入理解，并將其應(yīng)用到其他電路實(shí)例中，那么這篇文章的目的就達(dá)到了。