采用Pspice軟件對軟開關(guān)變換器電路進(jìn)行仿真研究

作者：邱濤，陳林康，李長兵

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各方面，目前功率變換器的開關(guān)變換技術(shù)主要采用兩種方式：脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)和諧振變換技術(shù)。傳統(tǒng)的PWM控制方式由于開關(guān)元件的非理想性，其狀態(tài)變化需要一個(gè)過程，即開關(guān)元件上的電壓和電流不能突變，開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下接通或斷開電路的，因此在開通或關(guān)斷過程中伴隨著較大的損耗。變頻器工作頻率一定時(shí)，開關(guān)管開通或關(guān)斷一次的損耗也是一定的，所以開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越大，因而硬開關(guān)變換器的開關(guān)頻率不能太高。相比之下軟開關(guān)變換器的作用是，當(dāng)電壓加在器件兩端或者電流流經(jīng)器件時(shí)，抑制功率器件轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔，即軟開關(guān)的開關(guān)管在開通或關(guān)斷過程中，或是加于其上的電壓為零，或是通過器件的電流為零。這種開關(guān)方式明顯減小了開關(guān)損耗，不僅可以允許更高的開關(guān)頻率以及更寬的控制帶寬，同時(shí)又可以降低dv/dt 和電磁干擾。本文為了更好地說明不同軟開關(guān)技術(shù)的區(qū)別，采用Pspice軟件對其中兩種有代表性的變換電路進(jìn)行了仿真和分析。

軟開關(guān)的原理

諧振開關(guān)技術(shù)的核心問題是為器件提供良好的開關(guān)工作條件，使得器件在零電壓或零電流條件下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而把器件的開關(guān)損耗降到最低水平。

軟開關(guān)下的器件通斷可以明顯減少功率的開關(guān)損耗。

減小開關(guān)損耗通常有以下兩種方法：在開關(guān)管開通時(shí)，使其電流保持在零或抑制電流上升的變化率，減少電流與電壓的重疊區(qū)，從而減少開通的功率損耗，即零電流導(dǎo)通；在開關(guān)管開通前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓導(dǎo)通。

減小關(guān)斷損耗有以下兩種方法：開關(guān)管關(guān)斷前，減小或消除加在其上的電流，即零電流關(guān)斷；開關(guān)管關(guān)斷前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓關(guān)斷。

DC/DC變換器

軟開關(guān)的分類及特點(diǎn)

DC/DC功率變換器目前所采用的幾種方法如下：諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器、零電壓開關(guān)PWM變換器、零電流開關(guān)PWM變換器、零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器。

諧振變換器

該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振電路的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，也可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器；另一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。其缺點(diǎn)是：該變換器輸出性能與負(fù)載關(guān)系很大，對負(fù)載的變化很敏感，電壓調(diào)節(jié)一般采用頻率調(diào)制方法，濾波電路參數(shù)難于選擇，并且電路稍顯復(fù)雜。

準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器

這類變換器的特點(diǎn)是：諧振元件參與能量變換的某一個(gè)過程，不是全程參與。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器。由于運(yùn)行中變換器工作在諧振模式的時(shí)間只占一個(gè)開關(guān)周期中的一部分，而其余時(shí)間都是運(yùn)行在非諧振模式，因此“諧振”一詞用“準(zhǔn)諧振”代替。

零開關(guān)PWM變換器

該類變換器可分為零電壓開關(guān)PWM變換器和零電流開關(guān)PWM變換器。零開關(guān)PWM變換器技術(shù)是在PWM技術(shù)和諧振技術(shù)之間取了折中。在準(zhǔn)諧振變換器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。它既可以通過諧振為主功率開關(guān)管創(chuàng)造零電壓或零電流開關(guān)條件，又可使電路象常規(guī)PWM電路一樣，在恒頻下通過改變占空比調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)化完成后，轉(zhuǎn)換器返回到普通的PWM操作模式，因此可以減小電路的能量。開關(guān)損耗以最小的導(dǎo)通損失為代價(jià)而得到減少。然而這種變換器也有其自身的缺點(diǎn)，以零電壓PWM變換器為例，它與上面提到的零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器有個(gè)共同的特點(diǎn)就是開關(guān)管和諧振電容、諧振電感的電壓和電流應(yīng)力是完全一樣的，也就是說要承受很高的電壓，這對于開關(guān)管來說是一個(gè)缺陷。

零轉(zhuǎn)換PWM變換器

該類變換器分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器。對于使用MOSFET管的高頻轉(zhuǎn)換器來說，若能實(shí)現(xiàn)完全零電壓轉(zhuǎn)換操作，器件的功能就能很好地發(fā)揮出來，對于功率MOSFET來說，它們的器件特性非常依賴于電壓等級。然而，零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器中的開關(guān)器件承受了其在PWM電路中的兩倍電應(yīng)力，開通損耗將大大增加。并且，主開關(guān)大的關(guān)斷電流將增加關(guān)斷損耗。當(dāng)少數(shù)載流子器件，比如IGBT或BJT用于功率開關(guān)時(shí)，更要注意以上的缺陷。因此，前面幾種變換器與常規(guī)的硬開關(guān)變換電路相比，都毫無例外地極大地增加了電路中開關(guān)管的電壓或電流應(yīng)力，使電路中的導(dǎo)通損耗明顯增加，從而部分地抵消了開關(guān)損耗降低的優(yōu)點(diǎn)。零轉(zhuǎn)換PWM變換器在開關(guān)上串聯(lián)一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，對于主控和輔助開關(guān)都可以在不增加其電壓和電流應(yīng)力的情況下動(dòng)作。

兩種電路的Pspice仿真結(jié)果及比較

這里僅對兩種具有代表性的變換器電路：升壓半波模式的零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器和升壓零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器進(jìn)行Pspice仿真。設(shè)定兩種電路的輸入電壓相同，以此分析比較開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力。

圖1 升壓半波模式的零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器原理圖

升壓半波模式的零電壓開關(guān)

準(zhǔn)諧振變換器仿真

圖1為升壓半波模式的零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的電路原理圖，仿真參數(shù)如圖中所示，開關(guān)頻率為700kHz。用Pspice軟件對原理圖進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 開關(guān)管通斷及其所受電壓應(yīng)力仿真波形

從圖2中可以看出，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，諧振電容限制了電壓的上升率，使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。諧振電容電壓下降到零，開關(guān)管的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，將開關(guān)管的電壓箝在零位，此時(shí)開關(guān)管在零電壓下導(dǎo)通。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)開關(guān)器件的確承受了很高的電壓應(yīng)力，選擇開關(guān)器件時(shí)要加以考慮，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了安全性和可靠性的麻煩。

零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器仿真

圖3 為升壓零電壓PWM變換器的電路原理圖，仿真參數(shù)在圖上標(biāo)明，其中Q為主開關(guān)管，Qa為輔助開關(guān)管，開關(guān)頻率為100kHz。主副開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。

圖3 升壓零電壓PWM變換器原理圖

圖4 主副開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)仿真波形

主開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷都是在零電壓的條件下，輔助電路工作時(shí)間不長，只在主開關(guān)管開通工作時(shí)一段時(shí)間，因此輔助電路的損耗很小。值得注意的是，由于輔助諧振網(wǎng)絡(luò)與主功率開關(guān)器件并聯(lián)，因而在使主開關(guān)器件軟開關(guān)工作的同時(shí)，并沒有增加過高的電壓應(yīng)力，這一點(diǎn)是與上面所提到的幾種變換器完全不同的。零轉(zhuǎn)換PWM變換器所具有的這些優(yōu)點(diǎn)，使得其成為目前在工程實(shí)際應(yīng)用中最有發(fā)展前途的功率變換電路拓?fù)渲弧?/p>

結(jié)語

軟開關(guān)技術(shù)在提供低損耗和更高工作頻率上比目前的硬開關(guān)技術(shù)取得了更顯著的效果，由于軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的研發(fā)努力，早期的商用器件的性能有了大幅度提高，也證實(shí)了這種技術(shù)所具有的潛在能力。最明顯的是在工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)品中的功率變換器，這些變換器將直流電轉(zhuǎn)換成所要求幅值可調(diào)的直流電、或者幅值和頻率都可調(diào)的單相或多相交流電。然而，現(xiàn)在的軟開關(guān)變換器技術(shù)應(yīng)用了諧振原理，電路中存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會(huì)產(chǎn)生諧振損耗，使得控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，這就使電路受到這種固有問題的影響，限制了軟開關(guān)變換器技術(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)在國內(nèi)外許多人員在研究是否能實(shí)現(xiàn)以及如何實(shí)現(xiàn)無諧振網(wǎng)絡(luò)的軟開關(guān)變換器技術(shù)，并已取得一些進(jìn)展。可以預(yù)言，無諧振網(wǎng)絡(luò)的軟開關(guān)變換器將是軟開關(guān)變換技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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