减少开关损耗电源设计小技巧——软开关的选择与设计

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电子技术的不断，电子设备种类也多种多样，自然与人们的工作生活息息相关，而任何的电子设备也都需要电源的支撑，而电子技术的不断成熟发展，对电源设计的要求也在不断的提升，它们都需要一个稳定的电源提供它们正常运行的能量，控制电源的开关技术影响电源稳定的一大因素，下面将介绍开关技术中的硬开关技术与软开关技术。 　　磁性元件的体积和重量在开关电源中占有很大比例，而开关电源的发展方向是体积小、重量轻和低成本，高频化可以有效的减小磁性元件的体积和重量，即开关器件的工作频率越高，其体积和重量越小。传统的DCOC变换器中，开关器件工作在硬开关状态。 　　硬开关的缺点如下： 　　(1)开通和关断过程损耗比较大； 　　(2)感性关断问题： 　　当电路中有感性器件时，开关器件关断时，会感应出很高的电压尖峰，极易损坏开关器件； 　　(3)容性开通问题： 　　当开关器件在高压下开通时，开关器件结电容中的能量将全部消耗在该器件上，从而易使该开关器件因为过热而损坏; 　　(4)二极管反向恢复问题： 　　二极管由导通变为截止时，有一个反向恢复时间，在此时间内，二极管仍处于导通关态，若立即开通与其串联的开关器件，会产生很大的冲击电流，易损坏该开关器件。 　　由于硬开关存在以上缺点，限制了开关器件工作频率的提高，在软开关技术出来之前，功率开关器件的开关损耗是很大的。为了弥补硬开关工作的不足，提出了软开关技术。 　　软开关技术的原理 　　所谓“软开关”是与“硬开关”相对应的。硬开关是指在功率开关的开通和关断过程中，电压和电流的变化比较大，产生开关损耗和噪声也较大，开关损耗随着开关频率的提高而增加，导致电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响自身及周边电子设备的正常工作。 　　软开关是在硬开关电路的基础上，加入电感、电容等谐振器件，在开关转换过程中引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通;或使流过开关器件的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低硬开关的开关损耗和开关噪声，从而 　　提高了电路的效率。 　　图1 理想状态下软开关和硬开关波形比较图 软开关包括软开通和软关断两个过程： 　　理想的软开通过程是：开关器件两端的电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称之为零电压开关。 　　理想的软关断过程是：开关器件两端的电流先下降到零后，电压再缓慢上升到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。 　　功率开关管的软开关理想波形和硬开关波形如图1所示，由图可以看出，在硬开关状态下，功率开关管两端的电压、电流有明显的交叠区，在此交叠区内产生开关损耗;而在软开关状态下，功率开关管两端的电压、电流几乎没有交叠区，所以也就不会产生开关损耗。