软开关技术是现代电力电子变换器中的关键核心技术，其通过优化开关过程，显著降低了器件在开关瞬间的电压电流应力，有效解决了传统硬开关技术中存在的du/dt（电压变化率）和di/dt（电流变化率）过高的问题，从而提升了变换器的效率、可靠性和电磁兼容性，在硬开关模式下，功率开关器件（如MOSFET、IGBT）在开通或关断瞬间，往往承受着高电压和大电流的同时作用，导致开关损耗急剧增加，且快速的电压变化率（du/dt）会通过寄生参数引发严重的电磁干扰（EMI），同时可能造成电压过冲和振荡，威胁器件安全，软开关技术通过引入谐振环节，使器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）条件下完成开关动作，从根本上抑制了du/dt和di/dt的负面影响，成为高频化、高效率电力电子变换器发展的必然选择。
软开关技术对du/dt的抑制机理与实现方式
du/dt是指电压随时间的变化率，在硬开关电路中，开关器件关断时，输出电容（或寄生电容）上的电压在极短时间内从零上升到母线电压（或从母线电压下降到零），形成极高的du/dt，典型值可达数千伏/微秒甚至更高，这种快速变化的电压通过器件的结电容、寄生电感等路径产生位移电流，引发以下问题：一是导致开关关断时电压过冲，可能超出器件额定耐压；二是通过寄生电感与电容形成高频振荡，增加额外的开关损耗；三是产生强烈的电磁辐射，影响周边电子设备的正常工作，软开关技术通过改变开关轨迹，从源头上降低了du/dt的幅值和变化速度。
零电压开关（ZVS）技术
ZVS通过在开关器件开通前，使其两端电压预先降至零，从而消除开通瞬间的电压-电流重叠区，同时显著降低关断时的du/dt，以移相全桥变换器为例，其利用变压器的漏感与开关管的结电容形成谐振网络：在开关管关断后，漏感电流与结电容谐振，使即将开通的开关管两端电压自然下降至零，此时驱动信号使其开通，实现ZVS，由于开通时电压已为零，du/dt的影响被消除，关断时虽然仍有电压变化，但可通过缓冲电路进一步优化，ZVS技术有效降低了开通损耗，但可能增加导通损耗（因谐振电流可能大于负载电流），且需要较大的谐振电感,限制了轻载下的ZVS范围。
零电流开关（ZCS）技术
ZCS则是在开关器件关断前，使其电流先降至零，从而消除关断瞬间的电流-电压重叠区，同时降低开通时的di/dt，间接抑制了因di/dt引发的du/dt问题，以准谐振变换器（QRC）为例，通过在开关管支路串联谐振电感，在关断前使谐振电感与电容谐振，将开关管电流降至零后再施加关断信号，由于关断时电流已为零，关断损耗几乎为零，且开通时的di/dt也因谐振电感的限流作用而大幅减小，从而降低了开通瞬间的du/dt（因du/dt与di/dt和寄生电感相关），ZCS技术适用于电流型变换器，但可能增加开通损耗（因谐振电压较高）,且对驱动信号时序要求严格。
准谐振与多谐振技术
准谐振变换器（ZVS-QRC、ZCS-QRC）在PWM控制的基础上引入谐振，仅在开关瞬间产生谐振，其余时间工作在PWM模式，兼顾了软开关与PWM控制的优点，多谐振变换器则进一步扩展谐振范围，使开关管、二极管等均在软开关条件下工作，进一步降低了du/dt和di/dt，但控制复杂度增加，全桥多谐振变换器通过在变压器原边和副边均设置谐振网络，实现了所有开关管的ZVS和二极管的ZCS,显著降低了电压电流应力。
有源钳位软开关技术
有源钳位技术通过在主开关管上并联一个钳位支路（包含钳位开关和钳位电容），利用钳位电容的电压钳位作用，限制主开关管的电压应力，并通过谐振实现ZVS，当主开关管关断时，钳位电容与变压器漏感谐振，使主开关管两端电压缓慢上升至钳位电压，从而降低了关断时的du/dt；钳位电容的储能为主开关管创造了ZVS开通条件，该技术广泛应用于隔离型DC-DC变换器，具有电压应力低、du/dt抑制效果好、效率高等优点。
软开关技术中du/dt抑制的优化与挑战
尽管软开关技术能有效抑制du/dt，但在实际应用中仍需结合具体拓扑和控制策略进行优化，谐振电感的选择需兼顾ZVS实现范围与导通损耗；钳位电容的参数需匹配谐振频率，以避免电压过冲；驱动信号的时序需精确控制，确保软开关条件可靠建立，高频化是软开关技术的重要发展方向，但频率提升可能导致谐振元件体积减小、寄生参数影响增大，反而增加du/dt控制难度，因此需通过布局优化、屏蔽设计等措施减小寄生参数。
下表对比了典型软开关技术的du/dt抑制效果及特点：
| 技术类型 | du/dt抑制机理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| ZVS技术 | 开关管两端电压预降至零，消除开通du/dt | 开通损耗低，EMI改善明显 | 轻载下ZVS难实现，需较大谐振电感 |
| ZCS技术 | 开关管电流先降至零，降低关断di/dt间接抑制du/dt | 关断损耗低，适用于电流型变换器 | 开通损耗可能增加，控制时序严格 |
| 准谐振技术 | 仅在开关瞬间谐振，实现局部软开关 | 兼顾软开关与PWM控制灵活性 | 谐振损耗较大，开关频率不恒定 |
| 有源钳位技术 | 钳位电容限制电压上升率，创造ZVS条件 | 电压应力低，du/dt抑制效果稳定 | 增加一个有源器件，控制复杂度上升 |
相关问答FAQs
Q1：软开关技术是否完全消除了du/dt问题？
A1：软开关技术并非完全消除du/dt，而是通过优化开关过程显著降低其幅值和负面影响，ZVS技术消除了开通瞬间的du/dt，但关断时仍存在电压变化，需通过缓冲电路或优化布局进一步抑制；ZCS技术主要降低di/dt，间接减少因di/dt引发的du/dt，高频化应用中寄生参数可能影响du/dt抑制效果,需综合设计。
Q2：软开关技术相比硬开关，在du/dt抑制方面有哪些核心优势？
A2：软开关技术的核心优势在于通过零电压或零电流切换，从根本上避免了开关瞬间的电压-电流重叠，从而大幅降低du/dt和di/dt，具体表现为：① 关断时电压上升速度减缓，过冲和振荡显著减小；② 电磁干扰（EMI）强度降低，简化滤波设计；③ 器件电压应力减小，可靠性提升；④ 开关损耗降低，效率提高,尤其在高频场景下优势更为明显。
