新型无源软开关变换器

摘要：普通的PWM变换器具有结构简洁、控制简单、频率恒定、输出特性好等优点，故广泛应用于社会生活的各个领域中。本文以boost基本电路为基础，采用简单的无源谐振网络，设计实现了开关管的软开关。这种新型的无源软开关解决了输出二极管反向恢复问题，具有结构简单、高频率、高效率、易于控制等优点。该设计可用于以IGBT为开关器件的高压场合。分析了该变换器的工作原理、实现条件、设计谐振网络的参数、并进行了仿真。
关键词：软开关技术；无源辅助谐振网络；无源变换器；仿真

电力电子变流技术也称为电力电子器件应用技术，它包括用电力电子器件构成的各种电力电子变换电路，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。也就是说，一般从蓄电池和电网直接得到的电能是不能直接满足设备和装置使用的，必须经过电力变换才能将电能转化为所需要的电能，从而电力电子变换是电力电子技术的重要组成部分，电力电子变换器是开关电源的核心部分。电力电子技术在电力电子变换方面主要包括电压、电流、频率、波形和功率等。电力电子电路及设备通常被称为变换器。按照电能变换功能分类，电力变换通常可分为四大类，即直流变直流、直流变交流、交流变交流和交流变直流。交流变交流称为交-交变频，相应的变流装置称为周波变换器，周波变换器广泛应用于低频、大功率交流调速。直流变换器按输入与输出是否隔离可以分为没有电气隔离的不隔离直流变换器和有电气隔离的隔离直流变换器。不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管3类。单管直流变换器有6种，即降压式Buck变换器、升压式变换器、升降压式变换器、Cuk变换器、Zeta变换器和Sepic变换器。在功率开关管电压和电流额相同时，变换器的输出功率通常与所用的开关管的数量成正比，而直流变换器按能量的传递来说有单向和双向的两种。

1 软开关技术基础
1．1 硬开关技术及其不足
首先了解一下硬开关与软开关的概念。硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程，频率越高，损耗越大；软开关通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中电流或两端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，当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压与零电流条件下完成导通与断开的过程，使器件的开关损耗理论上为零。开关器件处于开通状态和关断状态时，消耗的功率是比较小的，而当开关开通状态结束，由开通状态向关断状态转换，或者当开关关断状态结束，由关断状态向开通状态转换这个过程中，电流和电压都非常大，消耗的瞬时功率比开通状态或关断状态大很多倍，甚至要大几个数量级。而且在开关管在开通和关断的过程中电压和电流的变化比较快，波形会出现明显的过冲现象和振荡现象，这样会产出开关噪声，而这种开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响了其他电子器件的正常工作。
1．2 软开关技术基础
为了解决硬开关在开关频率不断提高而产生的不利影响，人们在这领域中不断的探索和研究，提出了软开关功率变换技术，软开关是相对于硬开关而言的，软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中电流或开关器件两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使开关器件关断，当电压下降到零时，使开关器件导通。
开关管导通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电压与电流的交叠区，这就是所谓的零电流导通。开关导通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压导通。导通损耗基本减小到零。如果同时达到上述两种要求，导通损耗为零。
减小关断损耗的几种方法：1)在开关管断开前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流断开。断开损耗基本减小到零；2)在开关管断开时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电压与电流的交叠区，这就是所谓的零电压断开。如果同时达到上述两种要求，关断损耗即为零。

2 装备新型无源软开关变换器仿真
2．1 仿真软件的介绍与选择
IsSpice是美国Intusofi公司推出的一种商业仿真软件，是ICAP／4软件集成系统的重要组成部分。ICAP／4软件集成系统主要由Spice Net、PreSPice、InSpice和IntuScope四大功能模块组成。ICAP／4的工作流程是：首先进入SpiceNet绘制电路图，并生成相应的Netlist文件，然后执行IsSpice仿真软件模块，在仿真之前系统将自动连接PreSpice仿真资料库中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析处理模块对仿真模型进行分析处理。
PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5．0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6．0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Mic rosim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言(MAST)和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。

目前，美国Analogy公司与浙江大学电力电子应用技术国家工程研究中心合作成立了Analogy亚洲系统仿真中心(ZASC)，一方面为亚太地区Saber用户提供技术支持和技术服务，另一方面也承接电力电子、机电一体化和混合技术的系统仿真、计算机辅助设计项目，并为企业培养系统仿真工程技术人才。