第1章 緒論

一切用電設(shè)備都離不開電源，供電電源總體上分為交流電源和直流電源兩大類。

從發(fā)電廠生產(chǎn)的交流電源經(jīng)變壓器升壓后，有交流和直流兩種高壓輸電方式。交流輸電方式是直接將升壓后的交流電通過三相三線傳輸，終端通過變壓器降壓后供給用戶；直流傳輸方式是將升壓后的高壓經(jīng)過整流（AC-DC變換）變成直流電壓，通過正、負(fù)兩線傳輸，終端再將直流逆變成交流電壓（DC-AC變換），通過變壓器降壓后供給用戶。直流輸電的優(yōu)點是節(jié)約輸電成本，減小無功損耗。無論是交流輸電還是直流輸電，在用戶終端都是交流電源。

如果電網(wǎng)提供的交流電源不能直接滿足用電設(shè)備的要求，必須有一個中間環(huán)節(jié)將供電電源轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備需要的電源，這個電源就是變換電源。變換電源主要包括AC-DC變換（整流）、DC-DC變換、DC-AC變換和AC-AC變換等幾種形式。低損耗、高效率的變換電源都采用先進(jìn)的軟開關(guān)技術(shù)。

AC-DC變換已經(jīng)是很成熟的電源變換技術(shù)，它包括二極管整流和晶閘管可控整流技術(shù)。由于它的結(jié)構(gòu)簡單，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但它有一個很大的缺點，就是輸入電流含有很大諧波，波形嚴(yán)重失真，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，晶閘管可控整流還會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。提高整流電路的功率因數(shù)，減小諧波干擾，是整流技術(shù)的發(fā)展方向。將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到AC-DC整流電路中，是近年來主要的研究領(lǐng)域，比較成熟的軟開關(guān)技術(shù)有PWM整流和軟開關(guān)功率因數(shù)校正。

DC-DC直流變換將一種固定的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓或是另一種固定的直流電壓。由于采用開關(guān)電路，開關(guān)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷時有電壓和電流作用在開關(guān)器件上，會造成很大的開關(guān)損耗和高次諧波，尤其是高頻情況下更為嚴(yán)重。將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到DC-DC直流變換器電路中，也是近年來主要的研究領(lǐng)域。主要成果有ZVSPWM DC-DC變換器；ZCS PWM DC-DC變換器；ZVTPWM DC-DC變換器；ZCT PWM DC-DC變換器；移相控制ZVS PWM DC-DC變換器；移相控制ZCSPWM DC-DC變換器等。

DC-AC變換將直流電源變換成頻率可調(diào)或固定的交流電源。三相變頻電源一般用于驅(qū)動三相交流電動機，頻率變化范圍從幾赫茲到幾百赫茲，高速交流變頻電源有的達(dá)到幾千赫茲。單相變頻電源根據(jù)負(fù)載的類型決定頻率范圍，有的固定在某一個很小的頻率范圍內(nèi)。DC-AC變換電路也是開關(guān)電路，為了減小開關(guān)損耗，減小諧波干擾，也要研究軟開關(guān)技術(shù)。在逆變器電路中有采用負(fù)載諧振創(chuàng)造軟開關(guān)條件，也有采用直流輸入側(cè)諧振創(chuàng)造軟開關(guān)條件，還有在變換電路內(nèi)部產(chǎn)生部分諧振創(chuàng)造軟開關(guān)條件。將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到逆變器電路中，也是近年來主要的研究領(lǐng)域。

1.1 軟開關(guān)技術(shù)的提出及實現(xiàn)策略

討論和研究開關(guān)電路時，如果不是明確指出是軟開關(guān)，一般都是指硬開關(guān)而言的。硬開關(guān)，是指開關(guān)器件工作在硬開關(guān)（Hardswitching）狀態(tài)。圖1-1是開關(guān)管開關(guān)時的電壓波形和電流波形。由于開關(guān)管不是理想器件，在導(dǎo)通時開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個上升時間。在這段時間里，電流和電壓有一個交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱為導(dǎo)通損耗（Turn-onloss）。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個上升時間，同時它的電流也不是立即下降到零，也有一個下降時間。在這段時間里，電流和電壓也有一個交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱為關(guān)斷損耗（Turn-offloss）。因此在開關(guān)管開關(guān)工作時，要產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗（Switchingloss）。在一定條件下，開關(guān)管在每個開關(guān)周期中的開關(guān)損耗是恒定的，變換器總的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開關(guān)損耗的存在限制了變換器開關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。

開關(guān)管工作在硬開關(guān)時還會產(chǎn)生高的di/dt和du/dt，從而產(chǎn)生大的電磁干擾（Electro-magneticInterference, EMI）。圖1-2所示為接感性負(fù)載時，開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡，圖中虛線為雙極型晶體管的安全工作區(qū)（SafetyOperation Area, SOA），如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。

減小開關(guān)損耗的途徑就是實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)（Softswitching），因此軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生。圖1-3所示為開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的波形圖。

從前面的討論可以知道，開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。減小導(dǎo)通損耗有以下幾種方法：

（1）在開關(guān)管導(dǎo)通時，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)，這就是零電流導(dǎo)通。從圖1-3（a）可以看出，導(dǎo)通損耗大大減小。

（2）在開關(guān)管導(dǎo)通前，使其電壓下降到零，這就是零電壓導(dǎo)通。從圖1-3（b）可以看出，導(dǎo)通損耗基本減小到零。

（3）同時做到（1）和（2），在這種情況下，開關(guān)損耗為零。

從圖1-3中可以看出減小關(guān)斷損耗有以下幾種方法：

（1）在開關(guān)管關(guān)斷前，使其電流減小到零，這就是零電流關(guān)斷。從圖1-3（a）可以看出，關(guān)斷損耗基本減小到零。

（2）在開關(guān)管關(guān)斷時，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)，這就是零電壓關(guān)斷。從圖1-3（b）可以看出，關(guān)斷損耗大大減小。

（3）同時做到（1）和（2），在這種情況下，關(guān)斷損耗為零。

圖1-4所示為開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡，從圖中可以看出，此時開關(guān)管的工作條件很好，不會超出安全工作區(qū)。