软开关技术在开关电源中的应用阐述

来源:未知  发布时间:2013-12-16 19:56  Tags:软开关技术 电源 
开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。硬开关是不管开关管上的电压或电流,强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间,或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时,切换开关管,由于开关管状态间的切换(由导通到截止,或由截止到导通)...

开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。硬开关是不管开关管上的电压或电流,强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间,或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时,切换开关管,由于开关管状态间的切换(由导通到截止,或由截止到导通)需要一定的时间,这样就会造成在开关管状态切换的某一段时间内,电压和电流有一个交越区域,这个交越造成的开关管损耗(开关管的切换损耗)随开关频率的提高而急速增加。

若是感性负载,在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高,关断越快,该感应电压越高。此电压加在开关器件两端,容易造成器件击穿。

若是容性负载,在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此,当开关晶体管在很高的电压下接通时,储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高,开通电流尖峰越大,从而会引起开关管的过热损坏。

另外,在次级高频整流回路中的二极管,在由导通变为截止时,有一个反向恢复期,开关晶体管在此期间内接通时,容易产生很大的冲击电流。显然频率越高,该冲击电流也越大,对开关晶体管的安全运行造成危害。

最后,做硬开关运用的开关电源中,开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。随着频率的提高和电路中的di/dt和du/dt增大,所产生的电磁骚扰也在增大,影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。

上述问题严重阻碍了开关器件(开关晶体管和高频整流二极管)工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作原理不同,理想的软关断过程是电流先降小到零,电压在缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零,便解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零,电流在缓慢上升到通态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容的电压也为零,解决了容性开通问题。同时,开通时,二极管反向恢复过程已经结束,因此二极管反向恢复问题不存在。

软开关技术还有助于电磁骚扰水平的降低,其原因是开关晶体管在零电压的情况下导通和在零电流的情况下关断,同时快恢复二极管也是软关断的,这可以明显减小功率器件的di/dt和du/dt,从而可以减小电磁干扰的电平。

一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损);操作频率较高,PFC或变压器体积可以减少,所以开关电源的体积可以做到更小。但成本也相对较高,设计较复杂。

开关电源的基本工作原理

1-1.几种基本类型的开关电源

顾名思义,开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等),通过控制电路,使电子开关器件不停地“接通”和“关断”,让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制,从而实现DC/AC、DC/DC电压变换,以及输出电压可调和自动稳压。

开关电源一般有三种工作模式:频率、脉冲宽度固定模式,频率固定、脉冲宽度可变模式,频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外,开关电源输出电压也有三种工作方式:直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样,前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

根据开关器件在电路中连接的方式,目前比较广泛使用的开关电源,大体上可分为:串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中,变压器式开关电源(后面简称变压器开关电源)还可以进一步分成:推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位,又可以分成:正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分,还可以分成更多种类。

下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍,其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。

1-2.串联式开关电源

1-2-1.串联式开关电源的工作原理

图1-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图,图1-1-a中Ui是开关电源的工作电压,即:直流输入电压;K是控制开关,R是负载。当控制开关K接通的时候,开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton,幅度为Ui的脉冲电压Up;当控制开关K关断的时候,又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff,幅度为0的脉冲电压。这样,控制开关K不停地“接通”和“关断”,在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo 。

图1-1-b是串联式开关电源输出电压的波形,由图中看出,控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波,脉冲幅度Up等于输入电压Ui,脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton,由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为:

串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui,其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui,因此,串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以,串联式开关电源属于降压型开关电源。

串联式开关电源也有人称它为斩波器,由于它工作原理简单,工作效率很高,因此其在输出功率控制方面应用很广。例如,电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等,都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制,电压输出可以不用接整流滤波电路,而直接给负载提供功率输出;但如果用于稳压输出,则必须要经过整流滤波。

串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地,因此,容易产生EMI干扰和底板带电,当输入电压为市电整流输出电压的时候,容易引起触电,对人身不安全。