開關(guān)電源中的軟開關(guān)技術(shù)解析
開關(guān)電源中的硬開關(guān)和軟開關(guān)是針對(duì)開關(guān)晶體管而言的。硬開關(guān)是不管開關(guān)管上的電壓或電流，強(qiáng)行接通或關(guān)斷開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管（漏極和源極之間，或者集電極和發(fā)射極之間）的電壓及電流較大時(shí)，切換開關(guān)管，由于開關(guān)管狀態(tài)間的切換（由導(dǎo)通到截止，或由截止到導(dǎo)通）需要一定的時(shí)間，這樣就會(huì)造成在開關(guān)管狀態(tài)切換的某一段時(shí)間內(nèi)，電壓和電流有一個(gè)交越區(qū)域，這個(gè)交越造成的開關(guān)管損耗（開關(guān)管的切換損耗）隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。
若是感性負(fù)載，在開關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)會(huì)感應(yīng)出尖峰電壓。開關(guān)頻率越高，關(guān)斷越快，該感應(yīng)電壓越高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，容易造成器件擊穿。
若是容性負(fù)載，在開關(guān)晶體管導(dǎo)通瞬間的尖峰電流大。因此，當(dāng)開關(guān)晶體管在很高的電壓下接通時(shí)，儲(chǔ)存在開關(guān)晶體管結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高，開通電流尖峰越大，從而會(huì)引起開關(guān)管的過熱損壞。
另外，在次級(jí)高頻整流回路中的二極管，在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，有一個(gè)反向恢復(fù)期，開關(guān)晶體管在此期間內(nèi)接通時(shí)，容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高，該沖擊電流也越大，對(duì)開關(guān)晶體管的安全運(yùn)行造成危害。
最后，做硬開關(guān)運(yùn)用的開關(guān)電源中，開關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大，所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大，影響開關(guān)電源本身和周圍電子設(shè)備的正常工作。
上述問題嚴(yán)重阻礙了開關(guān)器件（開關(guān)晶體管和高頻整流二極管）工作頻率的提高。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關(guān)工作原理不同，理想的軟關(guān)斷過程是電流先降小到零，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已經(jīng)下降到零，便解決了感性關(guān)斷問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零，電流在緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零，器件結(jié)電容的電壓也為零，解決了容性開通問題。同時(shí)，開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題不存在。
軟開關(guān)技術(shù)還有助于電磁騷擾水平的降低，其原因是開關(guān)晶體管在零電壓的情況下導(dǎo)通和在零電流的情況下關(guān)斷，同時(shí)快恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷的，這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt，從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來說軟開關(guān)的效率較高（因?yàn)闆]有切換損）；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以開關(guān)電源的體積可以做到更小。但成本也相對(duì)較高，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
開關(guān)電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開關(guān)電源
顧名思義，開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。
開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源（后面簡(jiǎn)稱變壓器開關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)分析。
1-2.串聯(lián)式開關(guān)電源
1-2-1.串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關(guān)，R是負(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關(guān)K輸出電壓uo是一個(gè)脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關(guān)K的接通時(shí)間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開關(guān)電源屬于降壓型開關(guān)電源。
串聯(lián)式開關(guān)電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡(jiǎn)單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如，電動(dòng)摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開關(guān)電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負(fù)載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。
串聯(lián)式開關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候，容易引起觸電，對(duì)人身不安全。
若是感性負(fù)載，在開關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)會(huì)感應(yīng)出尖峰電壓。開關(guān)頻率越高，關(guān)斷越快，該感應(yīng)電壓越高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，容易造成器件擊穿。
若是容性負(fù)載，在開關(guān)晶體管導(dǎo)通瞬間的尖峰電流大。因此，當(dāng)開關(guān)晶體管在很高的電壓下接通時(shí)，儲(chǔ)存在開關(guān)晶體管結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高，開通電流尖峰越大，從而會(huì)引起開關(guān)管的過熱損壞。
另外，在次級(jí)高頻整流回路中的二極管，在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，有一個(gè)反向恢復(fù)期，開關(guān)晶體管在此期間內(nèi)接通時(shí)，容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高，該沖擊電流也越大，對(duì)開關(guān)晶體管的安全運(yùn)行造成危害。
最后，做硬開關(guān)運(yùn)用的開關(guān)電源中，開關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大，所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大，影響開關(guān)電源本身和周圍電子設(shè)備的正常工作。
上述問題嚴(yán)重阻礙了開關(guān)器件（開關(guān)晶體管和高頻整流二極管）工作頻率的提高。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關(guān)工作原理不同，理想的軟關(guān)斷過程是電流先降小到零，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已經(jīng)下降到零，便解決了感性關(guān)斷問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零，電流在緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零，器件結(jié)電容的電壓也為零，解決了容性開通問題。同時(shí)，開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題不存在。
軟開關(guān)技術(shù)還有助于電磁騷擾水平的降低，其原因是開關(guān)晶體管在零電壓的情況下導(dǎo)通和在零電流的情況下關(guān)斷，同時(shí)快恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷的，這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt，從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來說軟開關(guān)的效率較高（因?yàn)闆]有切換損）；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以開關(guān)電源的體積可以做到更小。但成本也相對(duì)較高，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
開關(guān)電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開關(guān)電源
顧名思義，開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。
開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源（后面簡(jiǎn)稱變壓器開關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)分析。
1-2.串聯(lián)式開關(guān)電源
1-2-1.串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關(guān)，R是負(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關(guān)K輸出電壓uo是一個(gè)脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關(guān)K的接通時(shí)間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開關(guān)電源屬于降壓型開關(guān)電源。
串聯(lián)式開關(guān)電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡(jiǎn)單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如，電動(dòng)摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開關(guān)電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負(fù)載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。
串聯(lián)式開關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候，容易引起觸電，對(duì)人身不安全。
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