DC/DC功率变换器软开关技术及Pspice仿真

引言
随着生产技术的发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面，目前功率变换器的开关变换技术主要采用两种方式：脉宽调制(PWM)技术和谐振变换技术。传统的PWM控制方式由于开关元件的非理想性，其状态变化需要一个过程，即开关元件上的电压和电流不能突变，开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗。变频器工作频率一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，所以开关频率越高，开关损耗就越大，因而硬开关变换器的开关频率不能太高。相比之下软开关变换器的作用是，当电压加在器件两端或者电流流经器件时，抑制功率器件转换时间间隔,即软开关的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，或是通过器件的电流为零。这种开关方式明显减小了开关损耗，不仅可以允许更高的开关频率以及更宽的控制带宽，同时又可以降低dv/dt 和电磁干扰。本文为了更好地说明不同软开关技术的区别，采用Pspice软件对其中两种有代表性的变换电路进行了仿真和分析。

图1 升压半波模式的零电压开关准谐振变换器原理图

图2 开关管通断及其所受电压应力仿真波形

图3 升压零电压PWM变换器原理图

图4 主副开关管的驱动仿真波形
软开关的原理
谐振开关技术的核心问题是为器件提供良好的开关工作条件，使得器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，从而把器件的开关损耗降到最低水平。
软开关下的器件通断可以明显减少功率的开关损耗。
减小开关损耗通常有以下两种方法：在开关管开通时，使其电流保持在零或抑制电流上升的变化率，减少电流与电压的重叠区，从而减少开通的功率损耗，即零电流导通；在开关管开通前，减小或消除加在其上的电压，即零电压导通。
减小关断损耗有以下两种方法：开关管关断前，减小或消除加在其上的电流，即零电流关断；开关管关断前，减小或消除加在其上的电压，即零电压关断。

DC/DC变换器
软开关的分类及特点
DC/DC功率变换器目前所采用的几种方法如下：谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电压开关PWM变换器、零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。
谐振变换器
该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振电路的谐振方式，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，也可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载谐振变换器；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。其缺点是：该变换器输出性能与负载关系很大，对负载的变化很敏感，电压调节一般采用频率调制方法，滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。