1.3 ZCS、ZVS、ZCSPWM、ZVTPWM變換器軟開關技術簡介

1.3.1ZCS變換器

如圖1-5（a）所示，在開關管支路上串聯電感，是ZCS（ZeroCurrentSwitching）的基本思路。開關器件導通時，抑制di/dt，消除開關管上的電壓U、電流i的重疊時間，從而不會產生開關損耗。為確保開關器件的安全，在開關管關斷之前，串聯電感上的能量要釋放為零（電流為零）。

圖1-5（b）是ZCS型準諧振變換器的基本結構。該方案利用串聯電感實現ZCS導通，諧振時電感放電，再利用反并聯二極管進行關斷。在反向導通的開關器件上串聯諧振電感Lr，外側并聯諧振電容Cr，形成零電流諧振開關。圖1-5（c）為電壓電流波形，t0時刻驅動開關管導通，由于Lr的初始電流為零，開關動作屬于ZCS。

諧振開關在t0～t4期間有一連串動作，中途不能停止，輸出電壓為UC的平均值，以固定導通時間進行控制。該變換器沒有開關器件和續流二極管之間的短路狀態，導通和關斷都屬于ZCS型。

利用ZCS方式使器件導通時，開關器件的極間電容上積蓄的電荷都短路掉，能量沒有充分利用。因此，一般ZCS只用在500kHz以下開關動作的場合。

1.3.2 ZVS變換器

如圖1-6（a）所示，在開關管上并聯電容，是ZVS（Zero VoltageSwitching）的基本思路。開關管關斷時，抑制du/dt，消除u、i重疊時間，避免產生開關損耗。可在任意時刻以ZCS關斷。開關管導通之前，并聯電容上的電荷要放完，以確保開關管的安全。

圖1-6（b）是ZVS準諧振變換器的基本結構。這種方式是利用并聯電容使開關器件ZVS導通，由于諧振電容放電，并通過串聯二極管導通而工作。在開關管VT上并聯諧振電容Cr，其外側串聯諧振電感Lr，構成零電壓諧振開關。圖1-6（c）是其電壓電流波形。

該變換器的關斷時間是固定的，通過控制頻率可以控制輸出電壓Uo。準諧振ZVS實現零電壓導通條件是，諧振電壓的峰值高于電源電壓。

諧振ZVS開關器件的極間電容是諧振電路的一部分，不造成損耗，適用于500kHz以上的高頻動作，但負載范圍窄，只適用固定負載或接近于固定的負載。

1.3.3 ZCSPWM變換器

當外部電路電流流經圖1-7（a）所示二極管VD時，開關管VT處于零電壓、零電流狀態。此時導通或關斷開關管VT，都是ZVS、ZCS動作。外部電路由LC無源器件、輔助開關等諧振電路組成，也有同時使用電感和電容的情況。諧振型變換器兼用了反并聯二極管的ZCS和ZVS的功能。

圖1-7（b）所示為諧振型ZCSPWM降壓式變換器的主電路及波形圖，圖中VT1（g）和VT（g）分別表示輔助開關管VT1和主開關管VT的驅動信號，UDS、UDS1和分別為VT、VT1和諧振電容Cr兩端的電壓為流過VT和諧振電感Lr的電流。與諧振式ZCS相比，多了一個與諧振電容Cr串聯的輔助開關管VT1，主開關管VT與諧振電感Lr串聯。設t＜t0時。主開關管VT和輔助開關管VT1均關斷，t=t0時，令主開關管VT導通。一周內有6種運行模式，見表1-2。

Buck型ZCS-PWM變換器的主開關最大電壓鉗定在Ui，最大電流Imax=Io+Ui/Zn發生在模式2準諧振階段，為特征阻抗。

ZCS-PWM變換器的優點是：①主開關器件及輔助開關器件零電流關斷；②恒頻控制；③主開關電壓應力小；④續流二極管VD零電壓關斷。缺點是：①主開關電流應力大；②諧振電感與主開關串聯，滿足零電流開關條件的電源電壓，負載電流變化范圍窄；③續流二極管VD電壓應力等于2Ui; ④諧振網絡未吸收主開關管結電容能量，關斷時有寄生振蕩。

1.3.4 ZVTPWM變換器

圖1-8所示為ZVTPWM變換器的主電路結構。主開關管VT導通前，使輔助開關管VT1導通，Lr、L有電流通過。VD關斷后，由于LrCr諧振，Cr放電。放電結束后，使VT以ZVS導通。此后，使VT1關斷，Lr的電流經過VD1返回電源。任意時刻使VT關斷，由于Cr存在，VT是以ZVS關斷的。

優點：VT、VD都是軟開關動作，耐壓和電流有效值與硬開關PWM一樣。

缺點：VT1導通是軟開關，而關斷是硬開關。因電流有效值小，使用高速器件更好。

主開關器件使用IGBT，開關頻率為100kHz, 600W的升壓DC-DC變換器，效率可達97.3%。增加電容和二極管，輔助開關器件的關斷也可實現ZVS。

1.3.5 ZCTPWM變換器

ZCSPWM變換器的諧振電路與主電路并聯，使主電路的電流不通過諧振電感，則主開關器件的峰值電壓和電源電壓相等，不會增加諧振電感引起的導通損耗，效率與硬開關PWM相同。

圖1-9所示為ZCTPWM變換器的結構圖。開關動作時，諧振的反向電流提供給主開關管VT和續流二極管VD。VD導通期間，Cr的電壓是左正右負。

先觸發輔助開關管VT1導通，通過VT1、VD流過諧振電流，諧振電流反方向時，VT1反并聯二極管導通，使VD電流為零。在這種狀態下觸發VT導通，Cr的電壓為零；要關斷時，先觸發VT1導通，通過VT、VT1驅動諧振電路，諧振電流反向時，VT1、VT的反并聯二極管導通，此時使VT關斷。VD導通后，Cr被充電，左正右負。

優點：主、輔器件和續流二極管都是ZCS動作，輔助器件關斷時要求不是很嚴格。

缺點：主器件的電流峰值大。

主器件采用MCT、輔助器件使用IGBT,20kHz、300V、5kW的DC-DC變換器的效率達到98.5%。