全桥变换器软开关技术如何实现高效与可靠？-晟辉智能制造

什么是软开关技术？

我们理解一下“硬开关”和“软开关”的区别。

（图片来源网络，侵删）

传统的全桥变换器工作在硬开关模式,在这种模式下：

开关过程：当开关管（如MOSFET）需要导通时，其两端存在电压（Vds > 0）；当需要关断时，其回路中存在电流（Ids > 0）。
后果：
- 开通损耗：在开通瞬间，Vds和Ids同时存在，瞬时功率 P = Vds * Ids 很大，导致开关管发热严重。
- 关断损耗：在关断瞬间，Vds迅速上升，而Ids下降缓慢，同样会形成一个较大的瞬时功率损耗。
问题：
- 效率低：开关损耗随着开关频率的提高而急剧增加，限制了变换器效率的提升。
- 电磁干扰严重：Vds和Ids的快速变化（高di/dt和dv/dt）会产生强烈的电磁干扰。
- 散热压力大：为了处理开关损耗，需要庞大的散热系统，增加了体积和成本。
- 开关频率受限：为了降低损耗，不能工作过高的频率，从而限制了功率密度的提高。

软开关技术的核心思想是：在开关管开通或关断的瞬间，创造条件使其两端电压为零（零电压开关，ZVS）或使其回路中电流为零（零电流开关，ZCS）。

通过实现软开关,可以：

标准的全桥变换器本身不具备天然的软开关条件,我们以最常见的移相全桥为例来分析：

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一个标准的全桥有四个桥臂,通常分为超前臂 和 滞后臂。

问题在于滞后臂：

当滞后臂的开关管（如S2）需要关断时，其输出电容（Coss或Miller电容）会与变压器的漏感形成谐振，这个谐振过程非常快，导致其两端电压迅速上升到输入电压Vin，而此时原边电流还很大，因此关断损耗非常大。
当滞后臂的开关管（如S3）需要开通时，其两端电压Vds很高，直接开通会产生巨大的开通损耗。

实现滞后臂的软开关是全桥变换器软开关技术的核心和难点。

为了解决上述挑战,研究人员提出了多种软开关技术，其中最成熟和应用最广泛的是以下几种：

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这是目前应用最广泛的全桥软开关技术，特别适用于中高功率场合（如通信电源、电动汽车充电桩、光伏逆变器等）。

基本原理：
1. 通过移相来控制四个开关管的驱动信号，而不是传统的对角导通。
2. 利用变压器的漏感（或外加的谐振电感）和开关管的输出电容进行谐振。
3. 超前臂：相对容易实现ZVS，因为在超前臂开关切换时，变压器原边电流会通过其体二极管或反并联二极管续流，为谐振提供了条件。
4. 滞后臂：实现ZVS的难度较大，它需要将原边电流（或励磁电流）反向，并使其足够大，以便在开关管开通前，能将其输出电容上的电荷抽走，使其电压降到零，这通常需要在轻载时通过辅助电路来维持。
优点：
- 电路结构简单,无需增加额外的有源开关管。
- 实现了全桥所有开关管的零电压开关，效率高。
- 控制方式成熟,易于数字化实现。
缺点：
- 滞后臂实现ZVS的范围有限，在轻载时难以实现，效率在轻载时会下降。
- 存在环流问题，即原边电流在输出电压为零时依然在流动，这会增加导通损耗。
- 原边电流存在过零畸变问题，可能导致副边占空比丢失，影响输出电压调节。

这种技术在全桥的基础上增加了一个有源钳位支路,由一个钳位开关管S5和一个钳位电容Cc组成。

基本原理：
1. 在主功率开关管（S1-S4）关断后，利用钳位支路将开关管两端的电压钳位在一个较低的值（通常是Vin + Vc）。
2. 这使得主开关管可以在低电压下实现零电压开通。
3. 钳位电容Cc的电压可以用于实现滞后臂开关管的零电压关断。
优点：
- 能够实现所有开关管的ZVS。
- 可以有效抑制开关管上的电压尖峰,降低电压应力。
- 控制相对灵活。
缺点：
- 增加了一个有源开关管和其驱动电路,增加了成本和复杂性。
- 钳位支路的控制增加了系统的复杂性。

这种技术不直接改造全桥本身,而是在直流母线和全桥输入之间增加一个谐振直流环节。

基本原理：
1. 在直流母线上增加一个谐振电感Lr和电容Cr。
2. 通过一个辅助开关管周期性地让Lr和Cr谐振，使直流母线电压Vbus周期性地谐振到零。
3. 当Vbus为零时，全桥的任意一个开关管都可以实现零电压开通，关断时仍为硬开关，但关断损耗远小于开通损耗。
优点：
- 通用性强，可以应用于任何拓扑结构（如全桥、半桥、三相逆变器等），为后级桥臂创造ZVS条件。
- 结构相对规整。
缺点：
- 增加了额外的辅助开关管和无源元件。
- 直流母线电压是脉动的,对后级控制有一定影响。
- 实现全桥所有开关管的ZVS仍需结合其他策略。

这是一种更高级的软开关技术,旨在同时实现开通时的ZVS和关断时的ZCS，理论上可以消除所有开关损耗。

基本原理：
- 通常采用辅助谐振支路，由一个辅助开关管和L-C谐振网络组成。
- 在主开关管动作前,先启动辅助谐振支路，为主开关管创造ZVS或ZCS的条件。
- 一个常见的方案是使用两个辅助开关管和两个谐振电感,分别实现超前臂和滞后臂的ZVS-ZCS。
优点：
- 开关损耗最低，理论上可以做到零损耗，效率极高。
- 可以实现更宽的软开关范围,包括轻载。
缺点：
- 电路和控制极其复杂，增加了大量的辅助元件和控制逻辑。
- 成本高,可靠性相对降低，调试困难。
- 主要用于对效率和