第1章 緒論

一切用電設備都離不開電源，供電電源總體上分為交流電源和直流電源兩大類。

從發電廠生產的交流電源經變壓器升壓后，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過整流（AC-DC變換）變成直流電壓，通過正、負兩線傳輸，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。直流輸電的優點是節約輸電成本，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。

如果電網提供的交流電源不能直接滿足用電設備的要求，必須有一個中間環節將供電電源轉換成用電設備需要的電源，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的軟開關技術。

AC-DC變換已經是很成熟的電源變換技術，它包括二極管整流和晶閘管可控整流技術。由于它的結構簡單，因此得到了廣泛的應用。但它有一個很大的缺點，就是輸入電流含有很大諧波，波形嚴重失真，降低了電網的功率因數，晶閘管可控整流還會對電網造成嚴重的污染。提高整流電路的功率因數，減小諧波干擾，是整流技術的發展方向。將軟開關技術應用到AC-DC整流電路中，是近年來主要的研究領域，比較成熟的軟開關技術有PWM整流和軟開關功率因數校正。

DC-DC直流變換將一種固定的直流電壓變換成可調的直流電壓或是另一種固定的直流電壓。由于采用開關電路，開關器件在導通和關斷時有電壓和電流作用在開關器件上，會造成很大的開關損耗和高次諧波，尤其是高頻情況下更為嚴重。將軟開關技術應用到DC-DC直流變換器電路中，也是近年來主要的研究領域。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或固定的交流電源。三相變頻電源一般用于驅動三相交流電動機，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到幾千赫茲。單相變頻電源根據負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。DC-AC變換電路也是開關電路，為了減小開關損耗，減小諧波干擾，也要研究軟開關技術。在逆變器電路中有采用負載諧振創造軟開關條件，也有采用直流輸入側諧振創造軟開關條件，還有在變換電路內部產生部分諧振創造軟開關條件。將軟開關技術應用到逆變器電路中，也是近年來主要的研究領域。

1.1 軟開關技術的提出及實現策略

討論和研究開關電路時，如果不是明確指出是軟開關，一般都是指硬開關而言的。硬開關，是指開關器件工作在硬開關（Hardswitching）狀態。圖1-1是開關管開關時的電壓波形和電流波形。由于開關管不是理想器件，在導通時開關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，產生損耗，稱為導通損耗（Turn-onloss）。當開關管關斷時，開關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，產生損耗，稱為關斷損耗（Turn-offloss）。因此在開關管開關工作時，要產生導通損耗和關斷損耗，統稱為開關損耗（Switchingloss）。在一定條件下，開關管在每個開關周期中的開關損耗是恒定的，變換器總的開關損耗與開關頻率成正比，開關頻率越高，總的開關損耗越大，變換器的效率就越低。開關損耗的存在限制了變換器開關頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。

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

減小開關損耗的途徑就是實現開關管的軟開關（Softswitching），因此軟開關技術應運而生。圖1-3所示為開關管實現軟開關的波形圖。

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

（1）在開關管導通時，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，這就是零電流導通。從圖1-3（a）可以看出，導通損耗大大減小。

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

（3）同時做到（1）和（2），在這種情況下，開關損耗為零。

從圖1-3中可以看出減小關斷損耗有以下幾種方法：

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

（2）在開關管關斷時，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，這就是零電壓關斷。從圖1-3（b）可以看出，關斷損耗大大減小。

（3）同時做到（1）和（2），在這種情況下，關斷損耗為零。

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