软开关技术与高频化
发布时间:2008/10/7 0:00:00 访问次数:479
20世纪60年代开始得到发展和应用的pwm dc/dc转换器技术,是一种硬开关技术。所谓硬开关(hard switching)是指开关上的电压和电流都不为零时的一种突变的强迫开关过程,即强迫开关器件在其电压不为零时开通,或电流不为零时关断。图是开关管开/关时的电压和电流波形。由于开关管不是理想器件,在开通时开关管的电压不是立即降到零,而是有一个下降时间,同时电流也不是立即上升到负载电流,也有一个上升时间;在关断时开关管上的电流不是立即降到零,而是有一个下降时间,同时电压也不是立即上升到电源电压,也有一个上升时间。开通和关断时的这段时间里,电压和电流有一个交叠区产生损耗,称为开关损耗(switching loss)。在一定条件下开关管在每个开关周期中产生的开关损耗是恒定的,转换器的总开关损耗与开关频率成正比,开关频率越高,总的开关损耗越大,转、换器的效率就越低。开关损耗限制了转换器开关频率的提高,从而也就限制了转换器的小型化和轻量化。同时,开关管工作在硬开关时还会产生较高的du/dt和di/dt,从而产生了较大的电磁干扰(electr。magnetic interference,emi).开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹,如果不改善开关管的开关条件,其开关轨迹很可能会超出安全工作区,导致开关管损坏。
减小开关损耗有以下几种方法:
(1)在开关管关断前,使其电流减小到零,这就是所谓的零电流关断,关断损耗基本上可以减小到零。
(2)在开关管关断时,使其电压保持在零,或者限制电压的上升率,从而减小电流与电压的交叠区,这就是所谓的零电压关断,同样关断损耗也可以大大减小。
(3)同时做到(1)和(2),在这种情况下,关断损耗为零。
(4)在开关管开通时,使其电流保持在零,或者限制电流的上升率,从而减小电流与电压的交叠区,这就是所谓的零电流开通,可以使开通损耗大大减小。
(5)在开关管开通前,使其电压下降到零,这就是所谓的零电压开通,开通损耗基本可以减小到零。
(6)同时做到(3)和(4),在这种条件下开通损耗为零。
为了减小转换器的体积和重量,必须实现高频化。要提高开关频率和提高转换器的转换效率,就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径,就是采用软开关技术。
所谓软开关(soft switching),是指开关上的电压和电流都为零,或其中一个为零时的自然开关过程,在开关过程中没有电压和电流的交叠,如零电压开关(zer。voltage switch-mg,zvs)和零电流开关(zero current switching,zcs),有时也把近似的zvs和zcs叫做软开关。
对于硬开关和软开关有两种不同的理解方式:一种是一般的理解,硬开关是在突变的开关过程中切断或接通功率流的转换过程,而软开关则是通过储能元件电感l和电容c的谐振,使开关中的电流或开关两端的电压按正弦或准正弦的规律变化,当电流变化到零时使开关关断,当电压变化到零时使开关开通,开关是在零电压或零电流的条件下完成开或关的过程,使开关上的开通和关断损耗理论上等于零。
另一种是从量变到质变的渐进比较过程的理解,由于现代的半导体开关器件的开通时间和关断时间在毫秒级到纳秒级,因此转换器电路中的寄生电感和寄生电容在开关过程中的作用是不能忽视的。当转换器中的开关在开关过程中只受电路中寄生电感和电容的影响时定义为硬开关,电路中寄生电感和电容的影响及寄生电感和电容之间的振荡,使开关管在硬开关状态下的开关损耗增加,产生电流或电压尖峰,电磁干扰加重。当采用外加的电感和电容来延缓开关过程时,这就是缓冲电路的作用。在开关过程中,为了减小开关应力,就要使储存的电磁能量增大,从而使每个开关过程中储存的能量不能经济地在下一个循环中消耗掉,这种技术就是馈能式缓冲电路技术。当储存在电磁元件中的能量进一步增加时,致使电磁元件产生谐振,这就是谐振转换技术,要将谐振限制在开关周期的某一部分区间工作时,就是准谐振软开关技术。这种从量变到质变的理解,就把硬开关、缓冲电路(也称吸收电路)技术、馈能式缓冲电路技术、谐振技术和软开关技术有机地联系到一起了。因此把硬开关和软开关作为两个极时,则缓冲电路也可以认为是对开关具有软化作用的一种电路。事实证明,缓冲电路确实也可以减小开关损耗,提高转换器效率。
软开关技术是在不断认识、不断提高的过程中得到发展的,是在高频化的促使下,以谐振技术和pwm技术为基础的发展条件下提出来的,是使常规pwm技术与谐振技术相结合,并吸收两者的优点,由此产生了软开关pwm技术。
20世纪60年代开始得到发展和应用的pwm dc/dc转换器技术,是一种硬开关技术。所谓硬开关(hard switching)是指开关上的电压和电流都不为零时的一种突变的强迫开关过程,即强迫开关器件在其电压不为零时开通,或电流不为零时关断。图是开关管开/关时的电压和电流波形。由于开关管不是理想器件,在开通时开关管的电压不是立即降到零,而是有一个下降时间,同时电流也不是立即上升到负载电流,也有一个上升时间;在关断时开关管上的电流不是立即降到零,而是有一个下降时间,同时电压也不是立即上升到电源电压,也有一个上升时间。开通和关断时的这段时间里,电压和电流有一个交叠区产生损耗,称为开关损耗(switching loss)。在一定条件下开关管在每个开关周期中产生的开关损耗是恒定的,转换器的总开关损耗与开关频率成正比,开关频率越高,总的开关损耗越大,转、换器的效率就越低。开关损耗限制了转换器开关频率的提高,从而也就限制了转换器的小型化和轻量化。同时,开关管工作在硬开关时还会产生较高的du/dt和di/dt,从而产生了较大的电磁干扰(electr。magnetic interference,emi).开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹,如果不改善开关管的开关条件,其开关轨迹很可能会超出安全工作区,导致开关管损坏。
减小开关损耗有以下几种方法:
(1)在开关管关断前,使其电流减小到零,这就是所谓的零电流关断,关断损耗基本上可以减小到零。
(2)在开关管关断时,使其电压保持在零,或者限制电压的上升率,从而减小电流与电压的交叠区,这就是所谓的零电压关断,同样关断损耗也可以大大减小。
(3)同时做到(1)和(2),在这种情况下,关断损耗为零。
(4)在开关管开通时,使其电流保持在零,或者限制电流的上升率,从而减小电流与电压的交叠区,这就是所谓的零电流开通,可以使开通损耗大大减小。
(5)在开关管开通前,使其电压下降到零,这就是所谓的零电压开通,开通损耗基本可以减小到零。
(6)同时做到(3)和(4),在这种条件下开通损耗为零。
为了减小转换器的体积和重量,必须实现高频化。要提高开关频率和提高转换器的转换效率,就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径,就是采用软开关技术。
所谓软开关(soft switching),是指开关上的电压和电流都为零,或其中一个为零时的自然开关过程,在开关过程中没有电压和电流的交叠,如零电压开关(zer。voltage switch-mg,zvs)和零电流开关(zero current switching,zcs),有时也把近似的zvs和zcs叫做软开关。
对于硬开关和软开关有两种不同的理解方式:一种是一般的理解,硬开关是在突变的开关过程中切断或接通功率流的转换过程,而软开关则是通过储能元件电感l和电容c的谐振,使开关中的电流或开关两端的电压按正弦或准正弦的规律变化,当电流变化到零时使开关关断,当电压变化到零时使开关开通,开关是在零电压或零电流的条件下完成开或关的过程,使开关上的开通和关断损耗理论上等于零。
另一种是从量变到质变的渐进比较过程的理解,由于现代的半导体开关器件的开通时间和关断时间在毫秒级到纳秒级,因此转换器电路中的寄生电感和寄生电容在开关过程中的作用是不能忽视的。当转换器中的开关在开关过程中只受电路中寄生电感和电容的影响时定义为硬开关,电路中寄生电感和电容的影响及寄生电感和电容之间的振荡,使开关管在硬开关状态下的开关损耗增加,产生电流或电压尖峰,电磁干扰加重。当采用外加的电感和电容来延缓开关过程时,这就是缓冲电路的作用。在开关过程中,为了减小开关应力,就要使储存的电磁能量增大,从而使每个开关过程中储存的能量不能经济地在下一个循环中消耗掉,这种技术就是馈能式缓冲电路技术。当储存在电磁元件中的能量进一步增加时,致使电磁元件产生谐振,这就是谐振转换技术,要将谐振限制在开关周期的某一部分区间工作时,就是准谐振软开关技术。这种从量变到质变的理解,就把硬开关、缓冲电路(也称吸收电路)技术、馈能式缓冲电路技术、谐振技术和软开关技术有机地联系到一起了。因此把硬开关和软开关作为两个极时,则缓冲电路也可以认为是对开关具有软化作用的一种电路。事实证明,缓冲电路确实也可以减小开关损耗,提高转换器效率。
软开关技术是在不断认识、不断提高的过程中得到发展的,是在高频化的促使下,以谐振技术和pwm技术为基础的发展条件下提出来的,是使常规pwm技术与谐振技术相结合,并吸收两者的优点,由此产生了软开关pwm技术。
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