硬開關(guān):
1.開關(guān)損耗大。開通時(shí),開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行;關(guān)斷時(shí),電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗,該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。
2.感性關(guān)斷電尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí),電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓,開關(guān)頻率愈高,關(guān)斷愈快,該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端,易造成器件擊穿。
3.容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí),儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高,開通電流尖峰愈大,從而引起器件過熱損壞。另外,二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期,開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作,易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高,該沖擊電流愈大,對器件的安全運(yùn)行造成危害。
4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高,電路中的di/dt和dv/dt增大,從而導(dǎo)致電磁干擾(emi)增大,影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。
軟開關(guān):
上述問題嚴(yán)重阻礙了開關(guān)器件工作頻率的提高。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關(guān)工作不同,理想的軟關(guān)斷過程是電流先降到零,電壓在緩慢上升到斷態(tài)值,所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零,解決了感性關(guān)斷問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零,電流在緩慢上升到通態(tài)值,所以開通損耗近似為零,器件結(jié)電容的電壓亦為零,解決了容性開通問題。同時(shí),開通時(shí),二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束,因此二極管方向恢復(fù)問題不存在。硬開關(guān)的缺點(diǎn)如下:
(1)開通和關(guān)斷過程損耗比較大;
(2)感性關(guān)斷問題:
當(dāng)電路中有感性器件時(shí),開關(guān)器件關(guān)斷時(shí),會感應(yīng)出很高的電壓尖峰,極易損壞開關(guān)器件;
(3)容性開通問題:
當(dāng)開關(guān)器件在高壓下開通時(shí),開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部消耗在該器件上,從而易使該開關(guān)器件因?yàn)檫^熱而損壞;
(4)二極管反向恢復(fù)問題:
二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),有一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間,在此時(shí)間內(nèi),二極管仍處于導(dǎo)通關(guān)態(tài),若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件,會產(chǎn)生很大的沖擊電流,易損壞該開關(guān)器件。
由于硬開關(guān)存在以上缺點(diǎn),限制了開關(guān)器件工作頻率的提高,在軟開關(guān)技術(shù)出來之前,功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗是很大的。為了彌補(bǔ)硬開關(guān)工作的不足,提出了軟開關(guān)技術(shù)。
軟開關(guān)技術(shù)的原理
所謂“軟開關(guān)”是與“硬開關(guān)”相對應(yīng)的。硬開關(guān)是指在功率開關(guān)的開通和關(guān)斷過程中,電壓和電流的變化比較大,產(chǎn)生開關(guān)損耗和噪聲也較大,開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加,導(dǎo)致電路效率下降;開關(guān)噪聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾,影響自身及周邊電子設(shè)備的正常工作。
軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上,加入電感、電容等諧振器件,在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中引入諧振過程,開關(guān)在其兩端的電壓為零時(shí)導(dǎo)通;或使流過開關(guān)器件的電流為零時(shí)關(guān)斷,使開關(guān)條件得以改善,降低硬開關(guān)的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,從而
提高了電路的效率。
圖1 理想狀態(tài)下軟開關(guān)和硬開關(guān)波形比較圖
軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷兩個(gè)過程:
理想的軟開通過程是:開關(guān)器件兩端的電壓先下降到零后,電流再緩慢上升到通態(tài)值,所以開通時(shí)不會產(chǎn)生損耗和噪聲,軟開通的開關(guān)稱之為零電壓開關(guān)。
理想的軟關(guān)斷過程是:開關(guān)器件兩端的電流先下降到零后,電壓再緩慢上升到通態(tài)值,所以關(guān)斷時(shí)不會產(chǎn)生損耗和噪聲,軟關(guān)斷的開關(guān)稱之為零電流開關(guān)。
功率開關(guān)管的軟開關(guān)理想波形和硬開關(guān)波形如圖1所示,由圖可以看出,在硬開關(guān)狀態(tài)下,功率開關(guān)管兩端的電壓、電流有明顯的交疊區(qū),在此交疊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生開關(guān)損耗;而在軟開關(guān)狀態(tài)下,功率開關(guān)管兩端的電壓、電流幾乎沒有交疊區(qū),所以也就不會產(chǎn)生開關(guān)損耗。