軟開(kāi)關(guān)功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)展

現代電力電子朝著(zhù)小型化、輕量化方向發(fā)展.對效率和電磁兼容也有了更高的要求。隨著(zhù)電力電子裝置的高頻化的發(fā)展趨勢.濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。但同時(shí)導致開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的諧振變換器正是適應這樣的趨勢而發(fā)展起來(lái)的，它可以降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲.進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。將諧振變換器與PWM技術(shù)結合起來(lái)構成軟開(kāi)關(guān)PWM 的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，既能實(shí)現功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。

在軟開(kāi)關(guān)技術(shù)出現之前，通過(guò)控制門(mén)極來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，在此過(guò)程中，開(kāi)通電壓或關(guān)斷電流相當大，這種被稱(chēng)之為硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)方式造成很大的開(kāi)關(guān)損耗，由于現代電力電子裝置愈來(lái)愈趨向于小型化和輕量化發(fā)展，必然要求開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高。當開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，往往造成開(kāi)關(guān)過(guò)程中di/dt和du/dt很大，給電路造成嚴重的噪聲污染和開(kāi)關(guān)損耗，且產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現解決了這一系列問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)就是指通過(guò)輔助的諧振電路使開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前電壓先降為零或者關(guān)斷前電流先降為零，這樣，就實(shí)現了在零電壓情況下開(kāi)通或者在零電流條件下關(guān)斷，從而大大降低了開(kāi)關(guān)功率損耗，減少了噪聲污染和電磁干擾。

軟開(kāi)關(guān)電路的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，分別是：準諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉換PWM 電路，下面分別闡述。

準諧振電路

(1)最先出現的軟開(kāi)關(guān)電路是零電壓零電流準諧振電路拓撲結構，20世紀70年代末80年代初準諧振技術(shù)得到廣泛關(guān)注，因為它能夠通過(guò)諧振來(lái)整定電壓和電流的波形，使大電壓和大電流不能同時(shí)出現，這樣就大大減少了開(kāi)關(guān)應力和功率損耗。但是它也存在自身的缺點(diǎn)：諧振使電壓峰值很高，要求所用的器件耐壓性能好;電流的有效值很大，另外，它要求對脈沖頻率調制，變化的頻率為電路設計造成了困難。1990年，Ivo Barbi，Julio C O Bolacell，Denizar C Martins和Fausto B Libano提出了一個(gè)降壓型脈寬調制零電流開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖1)，并且和由F.C.Lee提出的傳統的調頻降壓準諧振結構(見(jiàn)圖2)做了比較。

(2)零電壓開(kāi)關(guān)準諧振變換器電壓應力大，負載變化范圍小，這一限制可通過(guò)零電壓多諧振技術(shù)得到大大改進(jìn)。多諧振電路使所有的寄生元素包括半導體開(kāi)關(guān)的結電容和變壓器漏電感組合成一個(gè)多諧振網(wǎng)，這樣就使各種形式的寄生振蕩最小化，甚至能夠在無(wú)負載的情況下實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。1990年，Milan Jovanovic和Fred C.Y.Lee針對半橋零電壓開(kāi)關(guān)多諧振變換器(見(jiàn)圖3)作了全面的直流分析，第1次通過(guò)實(shí)驗驗證了不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下4種工作模式，并分別作了波形分析，畫(huà)出了每種模式的等效電路。

(3)適用于逆變器的諧振直流環(huán)節目前仍在研究應用中。2004年，S.Beherd，S.P.Das和S.R.Doradla提出了一種新型的多用準諧振三相逆變器結構，組成準諧振直流環(huán)節的組件包括4個(gè)開(kāi)關(guān)元件、2個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容，其中2個(gè)開(kāi)關(guān)和諧振直流環(huán)節串聯(lián)，另外2個(gè)與之并聯(lián)。這種拓撲結構采用空間矢量調節，工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)源或有源三相負載低功率因數和高功率因數負載均適用。

零開(kāi)關(guān)PWM 電路零開(kāi)關(guān)

PWM電路包括零電壓開(kāi)關(guān)PWM和零電流開(kāi)關(guān)PWM。最初的零開(kāi)關(guān)PWM電路是零電壓型的，它是由零電壓開(kāi)關(guān)準諧振電路(ZVS—QRC)的諧振電感兩端接一個(gè)開(kāi)關(guān)得到的。這樣就把PWM技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結合起來(lái)，使之工作于固定的開(kāi)關(guān)頻率下，且開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯比準諧振電路中的開(kāi)關(guān)承受的電壓低。S.Moisseev，S.Hamada和M.Nakaoka提出了一種新型的全橋軟開(kāi)關(guān)相移PWM DC—DC功率變換器電路，在這種新型的電路中(見(jiàn)圖4)，輸出端采用了一個(gè)帶有分接頭的電感濾波器，其優(yōu)點(diǎn)是：能夠在不增加諧振電路和輔助開(kāi)關(guān)器件的情況下實(shí)現軟開(kāi)關(guān)并使環(huán)路電流達到最小。

零轉換PWM 電路

與零開(kāi)關(guān)不同的是諧振電路與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，這樣可以使諧振電路受負載和輸入電壓的影響變小，使電路在輸入電壓寬范圍內且負載由空載到滿(mǎn)載內均能工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。最初的零電壓轉換技術(shù)是1991年由F.C.Lee，Hua G.和Leu C.S.設計提出的。在這種零電壓轉換電路中，換相是由與主開(kāi)關(guān)或主二極管并聯(lián)的吸收電容輔助完成的，而且在主開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間濾波器電流方向可以使輔助電路保持不工作狀態(tài)，而僅在主開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程中發(fā)生作用，這樣可以降低傳輸損耗。因此，近年來(lái)研究人員對零轉換技術(shù)大為關(guān)注，出現了諸多的零轉換電路拓撲結構，但是各種電路拓撲總是存在不同形式的缺陷。為了便于人們對零電壓轉換電路作進(jìn)一步的詳細分析和研究，M.L.Martins，J.L.Russi和H.L.Hey通過(guò)研究近年來(lái)出現的各種零電壓轉換電路，提出了一種新的分類(lèi)方法：根據輔助電壓源的不同進(jìn)行分類(lèi)。

按照這種分類(lèi)方法，所出現的零電壓轉換PWM變換器大致分為如下3類(lèi)：(1)帶有開(kāi)關(guān)式輔助電壓源型;(2)帶有直流輔助電壓源型;(3)帶有諧振式輔助電壓源型。這樣便于人們對零電壓轉換脈寬調制技術(shù)的整體性研究探索，由于人們越來(lái)越深入地研究，必將有更多的新型電路拓撲出現。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前對電力電子裝置的要求愈加趨向于小型化，輕量化，并希望能提高開(kāi)關(guān)頻率，但是目前開(kāi)關(guān)器件的頻率已接近于極限，并且隨著(zhù)頻率的提高又帶來(lái)了噪聲污染、電磁干擾、開(kāi)關(guān)應力、開(kāi)關(guān)損耗等一系列問(wèn)題。目前的研究仍是針對解決上述問(wèn)題而進(jìn)行的，最近的研究成果包括新型電路結構的出現和應用范圍的不斷擴大等。Chen—ming Wang提出了一種新型的功率因數校正器。這種功率因數校正器采用傳統的脈寬調制，軟換相技術(shù)及瞬時(shí)平均線(xiàn)電流控制方法。他設計了一種新的零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調制(ZVS—PWM)輔助電路，可實(shí)現主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)，輔助開(kāi)關(guān)實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)，其主開(kāi)關(guān)軟換相時(shí)電流應力小，傳輸損耗小。H.Ogiwara，M.Itoi和M.Nakaoka設計出一種新型的單端推挽式軟開(kāi)關(guān)高頻逆變器，該逆變器應用于高頻感應加熱裝置。這一新模型是在傳統電路的基礎上加上諧振電路。這樣可實(shí)現軟開(kāi)關(guān)并且在對稱(chēng)的PWM輔助電路下能在大范圍內連續調節輸出功率，其工作頻率固定為20 kI-Iz，用在家用加熱電器中具有很好的安全性和高效性。C.M.Wang，H-J.Chiu和D.R.Chen提出了一種新型的零電流PWM開(kāi)關(guān)單元，這種開(kāi)關(guān)單元可以使主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)都能在零電流時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是：工作于固定頻率，減少了換相損耗。只采用了一個(gè)諧振電感使電路的結構簡(jiǎn)單且電流應力小，它適用于采用IGBT的大功率場(chǎng)合。