谐振软开关变频器的发展

    在前面介绍的都是硬开关，指的是传统脉宽调制(PWM)技术以开关模式工作，在通断过程中都必须切断负载电流，使电力电子器件承受电压或电流应力。图14所示为一硬开关电力电子器件的开关控制曲线，在开通和关断过程中，电力电子器件必须同时承受较高的电压和电流，从而导致器件产生较高的开关损耗和较大的应力，电力电子电路中通常增加耗散无源缓冲器，以便能降低电力电子器件的di/dt和du/dt，然而，开关损耗与开关频率成正比，因而限制了电力变频器的开关频率的提高，在20世纪80年代初期，典型的变频器的开关频率限制在几十千赫（典型的为20~50kHz）范围内，由于电力电子电路和电力电子器件存在杂散电感和电容，因而开关过程为具有相当时间的过渡过程，由此带来电磁干扰( EMI)，图1-5所示为电力电子器件的电流和电压的理想波形和实际波形，产生电磁干扰的主要原因是存在振荡的过渡过程。

    图1-4    电力电子开关的典型开关控制曲线

    在20世纪80年代，大部分的研究集中在谐振变换器的应用上，它是应用谐振原理，利用开关变换器的谐振回路( Resonant Tank)，使其中的电力电子器件中的电压（或电流）按正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断[零电流开关(ZCS)]，或电压为零时，使器件开通[零电压开关(ZVS)]，从而减少开关损耗，进一步将开关频率提高至几百千赫级(100~500kHz)，这样可减少磁性元器件的体积，增加变换器的功率密度。对于已研究开发出的各种各样的谐振变换器，绝大部分都存在以下几个问题：与传统的PWM变换器相比，谐振变换器都存在较高的尖峰值谐振电流和电压，导致存在较大的开通损耗，也要求电力电子器件具有较高的U和I额定值，另外，许多谐振变换器通过调频方式来调节输出，而变化的开关频率使滤波器的设计和控制更为复杂。

    图1-5    电力电子开关的理想和实际波形

    在20世纪80年代末至90年代，变换器技术得到进一步的发展，把传统的PWM变换器的优点和谐振变换器相结合产生了新一代软开关变换器，除波形的上升沿与下降沿为平滑无瞬间尖峰外，软开关变换器的开关波形与传统的PWM变换器的波形相同，与谐振变换器不同，软开关谐振变换器通常采用谐振控制方式，仅允许在电力电子开关开通或关断期间和之前出现谐振，以保证器件在零电流或零电压条件下进行状态转换。此外，其特性与传统PWM变换器一样，通过简单的修改，许多已熟悉的为传统PWM变频器设计的控制集成电路都可应用于软开关变频器中，因为开关损耗和应力都得到降低，所以软开关变频器可工作在很高的频率上( 500kHz)，软开关变频器也为抑制电磁干扰提供了有效解决方法，也应用于DC-DC、AC-DC及DC-AC和AC-DC-AC变换器中。