各类软开关电路
【日期】 2012年2月4日【浏览】 [379]
本文主要从整体上了解DC/DC变换器中软开关电路的分类。

熟悉各类软开关电路的基本结构、优缺点及它们之间的联系。

负载谐振变换器LRC（Load Resonant Converter）
负载谐振型变换器是发展得最早的谐振变换器。

按负载与谐振电路的连接关系，可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联,称为串联负载谐振变换器(SLR);另一类是负载与谐振回路相并联,称为并联负载谐振变换器(SLR)。

在谐振变换器中,谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。

其缺点是：变换器输出性能与负载关系很大，对负载的变化很敏感，电压调节一般采用频率调制（PFM）方法。

准谐振变换器QRC（Quasi-Resonant Converter）
这类变换器是一最经典的软开关变换器。

其特点是：谐振元件参与能量变换的某一个过程（或是主开关开通时段，或是主开关关断时段）,不是全程参与。

准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRC）和零电流开关准谐振变换器（ZCS-QRC）。

根据谐振电压（电流）的波形，还可分为半波准谐振和全波准谐振。

下图分别是Buck拓扑的半波ZVS-QRC和半波ZCS-QRC。

由于运行中变换器工作在谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分,而其余时间都是运行在非谐振模式，因此用“准谐振”一词。

准谐振变换器由于电路简单，且适用于各种拓扑，不仅适用于基本的BUCK电路、BOOST电路，还可以应用到离线式变换器，如半桥电路中，因此准谐振变换器在小功率变换器上有着广泛应用，如笔记本电脑的电源适配器。

和负载谐振变换器一样，电压调节一般采用频率调制（PFM）方法。

零开关PWM变换器
零开关PWM变换器该类变换器是QRC电路的改进，出现在80年代末、90年代初。

可分为零电压开关PWM变换器（ZVS-PWM）和零电流开关PWM变换器（ZCS-PWM）。

零开关PWM变换器技术是在PWM技术和谐振技术之间取了折中。

在准谐振变换器的基础上,加入一个辅助开关管,来控制谐振元件的谐振过程,实现恒定频率控制,即实现PWM控制。

它既可以通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关条件，又可使电路像常规PWM电路一样,在恒频下通过改变占空比调制来调节输出电压。

当开关转化完成后,转换器返回到普通的PWM操作模式,因此可以减小电路的能量。

开关损耗以最小的导通损失为代价而得到减少。

下图分别是Buck拓扑的ZVS-PWM 和ZCS-PWM电路。

在ZVS-QRC的谐振电感上并接辅助开关构成ZVS-PWM，在ZVS-QRC的谐振电容上串接辅助开关则构成ZCS-PWM。

和QRC相比，零开关PWM变换器最大的特点就是由PFM到PWM的转变，使电路的控制简化，但也有其自身的缺点。

以ZVS-PWM变换器为例,它与上面提到的ZVS-QRC 有个共同的特点就是开关管和谐振电容、谐振电感的电压和电流应力是完全一样的,也就是说要承受很高的电压,这对于开关管来说是一个缺陷, 限制了变换器功率的提升。

零转换PWM变换器
在零开关PWM的基础上，调整谐振网络的连接方式，实现由零开关PWM 到零转换PWM的演进。

零转换PWM的特点：谐振元件不在主回路中，因此谐振条件受主回路影响最小，而且由于主开关不再承受大的电压（电流）应力。

该类变换器分为零电压转换PWM变换器（ZVT-PWM）和零电流转换PWM变换器（ZCT-PWM）。

前面几种变换器与常规的硬开关PWM变换电路相比，都毫无例外地极大地
增加了电路中开关管的电压或电流应力,使电路中的导通损耗明显增加，从而部分地抵消了开关损耗降低的优点。

零转换PWM变换器在辅助开关上串联谐振网络，对于主控和辅助开关都可以在不增加其电压和电流应力的情况下动作，而且和上述几种电路相比，谐振过程占整个开关周期的比例进一步减少。

下图分别是Buck拓扑的ZVT-PWM和ZCT-PWM。

由于零转换PWM变换器仅在开关阶段谐振，因此有的文献将其称为具备有源无损缓冲的PWM变换器。

在零转换PWM变换器中，辅助开关和LC谐振元件分别实现了“有源”和“无损”，这是传统PWM变换器中无源有损缓冲电路和无源无损电路的改进。

我们可以看出：一方面，谐振变换器为了减小开关应力和简化控制不断向PWM控制发展。

另一方面，PWM电路不断改进其缓冲电路，最终采取谐振的方式实现缓冲功能。

这样，最终出现了谐振电路的PWM电路的完美结合——零转换PWM变换器。