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電源技術基礎:有效減少開關損耗的“軟開關”技術

發(fā)布時間:2014-04-01 責任編輯:xiangpeng

【導讀】電子技術的不斷,電子設備種類也多種多樣,自然與人們的工作生活息息相關,而任何的電子設備也都需要電源的支撐,而電子技術的不斷成熟發(fā)展,對電源設計的要求也在不斷的提升,它們都需要一個穩(wěn)定的電源提供它們正常運行的能量,控制電源的開關技術影響電源穩(wěn)定的一大因素,下面將介紹開關技術中的硬開關技術與軟開關技術。

磁性元件的體積和重量在開關電源中占有很大比例,而開關電源的發(fā)展方向是體積小、重量輕和低成本,高頻化可以有效的減小磁性元件的體積和重量,即開關器件的工作頻率越高,其體積和重量越小。傳統(tǒng)的DCOC變換器中,開關器件工作在硬開關狀態(tài)。

硬開關的缺點如下:
    
(1)開通和關斷過程損耗比較大;
    
(2)感性關斷問題:
    
當電路中有感性器件時,開關器件關斷時,會感應出很高的電壓尖峰,極易損壞開關器件;
   
(3)容性開通問題:

當開關器件在高壓下開通時,開關器件結電容中的能量將全部消耗在該器件上,從而易使該開關器件因為過熱而損壞;
   
(4)二極管反向恢復問題:
    
二極管由導通變?yōu)榻刂箷r,有一個反向恢復時間,在此時間內,二極管仍處于導通關態(tài),若立即開通與其串聯(lián)的開關器件,會產生很大的沖擊電流,易損壞該開關器件。
     
由于硬開關存在以上缺點,限制了開關器件工作頻率的提高,在軟開關技術出來之前,功率開關器件的開關損耗是很大的。為了彌補硬開關工作的不足,提出了軟開關技術。

軟開關技術的原理
     
所謂“軟開關”是與“硬開關”相對應的。硬開關是指在功率開關的開通和關斷過程中,電壓和電流的變化比較大,產生開關損耗和噪聲也較大,開關損耗隨著開關頻率的提高而增加,導致電路效率下降;開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾,影響自身及周邊電子設備的正常工作。
    
軟開關是在硬開關電路的基礎上,加入電感、電容等諧振器件,在開關轉換過程中引入諧振過程,開關在其兩端的電壓為零時導通;或使流過開關器件的電流為零時關斷,使開關條件得以改善,降低硬開關的開關損耗和開關噪聲,從而
提高了電路的效率。
    

理想狀態(tài)下軟開關和硬開關波形比較圖
圖1 理想狀態(tài)下軟開關和硬開關波形比較圖
 

軟開關包括軟開通和軟關斷兩個過程:
    
理想的軟開通過程是:開關器件兩端的電壓先下降到零后,電流再緩慢上升到通態(tài)值,所以開通時不會產生損耗和噪聲,軟開通的開關稱之為零電壓開關。
    
理想的軟關斷過程是:開關器件兩端的電流先下降到零后,電壓再緩慢上升到通態(tài)值,所以關斷時不會產生損耗和噪聲,軟關斷的開關稱之為零電流開關。

功率開關管的軟開關理想波形和硬開關波形如圖1所示,由圖可以看出,在硬開關狀態(tài)下,功率開關管兩端的電壓、電流有明顯的交疊區(qū),在此交疊區(qū)內產生開關損耗;而在軟開關狀態(tài)下,功率開關管兩端的電壓、電流幾乎沒有交疊區(qū),所以也就不會產生開關損耗。

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