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目前電力電子設備的發展趨勢都是小型化，同時對裝置的效率和電磁兼容性有著很高的要求。 設備向著高頻化的方向發展，這樣可以減小濾波器、變壓器等器件的體積和重量，實現小型化和輕重化; 但是高頻化帶來了開關損耗增大、效率下降和電磁干擾增大等影響。 這就引出了我們今天要討論的話題——軟開關技術：降低開關損耗和開關噪聲; 大幅度提高開關頻率。
1軟開關基本概念
聊軟開關之前，我們先說一下硬開關(嗯，不能太"硬"，哈哈)
硬開關
開關過程中電壓、電流均不為零，出現了重疊，有顯著的開關損耗; 電壓和電流變化的速度很快，波形出現了明顯的過沖，從而產生了開關噪聲。
開關損耗(Eon+Eoff)與開關頻率fsw之間呈線性關系，因此當硬電路的工作頻率不太高時，開關損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開關頻率的提高，開關損耗就越來越顯著。
以降壓型電路為例，了解一下硬開關：
理想化波形
針對開通和關斷過程的波形說明如下：
關斷過程 開通過程
軟開關
軟開關電路中增加了諧振電感Lr 和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr
和Cr的值小得多，同時開關S增加了反并聯二極管VDS，而硬開關電路中不需要這個二極管。
我們還以降壓型電路為例，來了解一下軟開關：
降壓型零電壓開關準諧振電路中，在開關過程前后引入諧振，使開關開通前電壓先降到零，關斷前電流先降到零，消除了開關過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關損耗，同時，諧振過程限制了開關過程中電壓和電流的變化率，這使得開關噪聲也顯著減小。
關斷過程 開通過程
零電壓開關和零電流開關
零電壓開通：開關開通前其兩端電壓為零，則開通時不會產生損耗和噪聲;
零電流關斷：開關關斷前其電流為零，則關斷時不會產生損耗和噪聲;
零電壓關斷：與開關并聯的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率， 從而降低關斷損耗;
零電流開通：與開關串聯的電感能延緩開關開通后電流上升的速率， 降低了開通損耗。
在很多情況下，我們不再指出開通或關斷，僅稱零電壓開關和零電流開關。
2軟開關電路的分類
根據電路中主要的開關元件是零電壓開通還是零電流關斷，可以將軟開關電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類，個別電路中，有些開關是零電壓開通的，另一些開關是零電流關斷的。
根據軟開關技術發展的歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。
準諧振電路
準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振，用于逆變器的諧振直流環節(Resonant DC Link)。 分為下面幾類：
零電壓開關準諧振電路(ZVS QRC)
零電流開關準諧振電路(ZCS QRC)
零電壓開關多諧振電路(ZVS MRC)
開關損耗和開關噪聲都大大下降，但是也伴隨著一些負面的問題：
①諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。
②諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率交換，造成電路導通損耗加大。
③諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調制(Pulse Frequency Modulation—
PFM)方式來控制。
零開關PWM電路
電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生于開關過程前后。 分為下面兩類：
零電壓開關PWM電路(ZVS PWM)
基本開關單元：
零電流開關PWM電路(ZCS PWM)
基本開關單元：
同準諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。
零轉換PWM電路
電路中采用輔助開關控制諧振的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內和從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態，而且電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進一步提高。
具體也分為兩類：零電壓轉換PWM電路(ZVT PWM)和零電流轉換PWM電路(ZCT PWM)。
3幾種典型的軟開關電路
零電壓開關準諧振電路
基本原理圖如下：
假設電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。 開關電路的工作過程是按開關周期重復的，在分析時可以選擇開關周期中任意時刻為分析的起點，選擇合適的起點，可以使分析得到簡化。
理想波形圖：
選擇開關S的關斷時刻為分析的起點。
t0~t1時段，等效電路圖如下：
t0之前，S導通，VD為斷態，uCr=0，iLr
=IL，t0時刻S關斷，Cr使S關斷后電壓上升減緩，因此S的關斷損耗減小，S關斷后，VD尚未導通; Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，uCr線性上升，同時VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時刻，uVD=0，VD導通，這一時段uCr的上升率為
t1~t2時段，等效電路圖如下：
t1時刻VD導通，L通過VD續流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路; 諧振過程中，Lr對Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值。
t2~t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時刻，uCr=Ui，這時，uLr=0，iLr達到反向諧振峰值。
t3~t4時段：t3時刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續下降，直到t4時刻uCr=0。
t4~t5時段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，
iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。 由于這一時段S兩端電壓為零，所以必須在這一時段使開關S開通，才不會產生開通損耗。
t5~t6時段：S為通態，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL ，VD關斷。
t4到t6時段電流iLr的變化率為
t6~t0時段：S為通態，VD為斷態。
諧振過程是軟開關電路工作過程中最重要的部分，諧振過程中的基本數量關系為
uCr(即開關S的電壓uS)的表達式
[t1,t4]上的最大值即uCr的諧振峰值，就是開關S承受的峰值電壓，表達式為
零電壓開關準諧振電路實現軟開關的條件
如果正弦項的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實現零電壓開通。
零電壓開關準諧振電路的缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關S的耐壓必須相應提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。
諧振直流環
基本原理圖如下：
應用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環節(DC-Link)， 通過在直流環節中引入諧振，使電路中的整流或逆變環節工作在軟開 關的條件下。
輔助開關S使逆變橋中所有的開關工作在零電壓開通的條件下，實際電路中開關S可以不需要，S的開關動作用逆變電路中開關的直通與關斷來代替。 電壓型逆變器的負載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關狀態是不變的，負載電流視為常量。
諧振直流環等效電路圖：
以開關S關斷時刻為起點。
理想波形圖：
t0~t1時段：t0之前，iLr大于IL，S導通，t0時刻S關斷，電路中發生諧振，因為iLr>IL，因此iLr對Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時刻，uCr=Ui。
t1~t2時段：t1時刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流iLr達到峰值，t1以后，iLr繼續向Cr充電并不斷減小，而uCr進一步升高，直到t2時刻iL=IL，uCr達到諧振峰值。
t2~t3時段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續降低，到零后反向，Cr繼續向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時刻uCr=Ui。
t3~t4時段：t3時刻，uCr=Ui，iLr達到反向諧振峰值，然后iLr開始衰減，uCr繼續下降，直到t4時刻，uCr=0，VDS導通，uCr被箝位于零。
t4~t0時段：S導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。
移相全橋型零電壓開關PWM電路
基本原理圖如下：
電路簡單，僅僅增加了一個諧振電感，就使電路中四個開關器件都在零電壓的條件下開通。
在一個開關周期TS內，每一個開關導通的時間都略小于TS/2，而關斷的時間都略大于TS/2。 同一個半橋中上下兩個開關不同時處于通態，每一個開關關斷到另一個開關開通都要經過一定的死區時間。 互為對角的兩對開關S1-S4和S2-
S3，S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。
理想波形圖：
t0~t1時段：S1與S4都導通，直到t1時刻S1關斷。
t1~t2時段：等效電路圖
t1時刻S1關斷后，C1、C2與Lr、L構成諧振回路，諧振開始時uA(t1)=Ui，在諧振過程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，iLr通過VDS2續流。
t2~t3時段：t2時刻S2開通，由于VDS2導通，因此S2開通時電壓為零，開通過程中不會產生開關損耗，S2開通后，電路狀態也不會改變，繼續保持到t3時刻S4關斷。
t3~t4時段：等效電路圖
t4時刻開關S4關斷后，這時C3、C4與Lr構成諧振回路，諧振過程中iLr不斷減小，B點電壓不斷上升，直到VDS3導通; 這種狀態維持到t4時刻S3開通，S3開通時VDS3導通，因此S3是在零電壓的條件下開通，開通損耗為零。
t4~t5時段：S3開通后，iLr繼續減小，下降到零后反向，再不斷增大，直到t5時刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而關斷，電流IL全部轉移到VD2中。
t0~t5時段：正好是開關周期的一半， 而在另一半開關周期t5 t0時段中，電路的工作的過程與t0t5時段完全對稱。
零電壓轉換PWM電路
具有電路簡單、效率高等優點，廣泛用于功率因數校正電路(PFC)、DC-DC變換器、斬波器等。
以升壓電路為例，在分析中假設電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。
基本原理圖如下：
在零電壓轉換PWM電路中，輔助開關S1超前于主開關S開通，而S開通后S1就關斷了，主要的諧振過程都集中在S開通前后。
理想波形圖：
t0~t1時段：輔助開關先于主開關開通，由于此時VD尚處于通態，所以uLr=Uo，iLr按線性迅速增長，iVD以同樣的速率下降，直到t1時刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關斷。
t1~t2時段：等效電路圖
Lr與Cr構成諧振回路，由于L很大，諧振過程中其電流基本不變，對諧振影響很小，可以忽略; 諧振過程中iLr增加而uCr下降，t2時刻uCr降到零，VDS導通，uCr被箝位于零，而iLr保持不變。
t2~t3時段：uCr被箝位于零，而iLr保持不變，這種狀態一直保持到t3時刻S開通、S1關斷。
t3~t4時段：t3時刻S開通時，uS為零，因此沒有開關損耗，S開通的同時S1關斷，Lr中的能量通過VD1向負載側輸送，uLr下降，而iS線性上升，到t4時刻iLr=0，VD1關斷，iS=IL，電路進入正常導通狀態。
t4~t5時段：t5時刻S關斷， 由于Cr的存在，S關斷時的電壓上升率受到限制，降低了S的關斷損耗。
4軟開關的進展
新的軟開關電路拓撲的數量仍在不斷增加，軟開關技術的應用也越來越普遍。 在開關頻率接近甚至超過1MHz、對效率要求又很高的場合，曾經被遺忘的諧振電路又重新得到應用，并且表現出很好的性能。
采用幾個簡單、高效的開關電路，通過級聯、并聯和串連構成組合電路，替代原來的單一電路成為一種趨
勢，在不少應用場合，組合電路的性能比單一電路顯著提高。
工商網監
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