采用Pspice軟件對軟開關變換器電路進行仿真研究

隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，電力電子技術的應用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各方面，目前功率變換器的開關變換技術主要采用兩種方式：脈寬調(diào)制（PWM）技術和諧振變換技術。傳統(tǒng)的PWM控制方式由于開關元件的非理想性，其狀態(tài)變化需要一個過程，即開關元件上的電壓和電流不能突變，開關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，因此在開通或關斷過程中伴隨著較大的損耗。變頻器工作頻率一定時，開關管開通或關斷一次的損耗也是一定的，所以開關頻率越高，開關損耗就越大，因而硬開關變換器的開關頻率不能太高。相比之下軟開關變換器的作用是，當電壓加在器件兩端或者電流流經(jīng)器件時，抑制功率器件轉換時間間隔，即軟開關的開關管在開通或關斷過程中，或是加于其上的電壓為零，或是通過器件的電流為零。這種開關方式明顯減小了開關損耗，不僅可以允許更高的開關頻率以及更寬的控制帶寬，同時又可以降低dv/dt和電磁干擾。本文為了更好地說明不同軟開關技術的區(qū)別，采用Pspice軟件對其中兩種有代表性的變換電路進行了仿真和分析。
軟開關的原理
諧振開關技術的核心問題是為器件提供良好的開關工作條件，使得器件在零電壓或零電流條件下進行狀態(tài)轉變，從而把器件的開關損耗降到最低水平。
軟開關下的器件通斷可以明顯減少功率的開關損耗。
減小開關損耗通常有以下兩種方法：在開關管開通時，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，即零電流導通；在開關管開通前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓導通。
減小關斷損耗有以下兩種方法：開關管關斷前，減小或消除加在其上的電流，即零電流關斷；開關管關斷前，減小或消除加在其上的電壓，即零電壓關斷。
軟開關的分類及特點
DC/DC功率變換器目前所采用的幾種方法如下：諧振變換器、準諧振變換器和多諧振變換器、零電壓開關PWM變換器、零電流開關PWM變換器、零電壓轉換PWM變換器和零電流轉換PWM變換器。
諧振變換器
該類變換器實際上是負載諧振型變換器，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。按負載與諧振電路的連接關系，也可分為兩類：一類是負載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負載諧振變換器；另一類是負載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負載諧振變換器。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。其缺點是：該變換器輸出性能與負載關系很大，對負載的變化很敏感，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，并且電路稍顯復雜。
準諧振變換器和多諧振變換器
這類變換器的特點是：諧振元件參與能量變換的某一個過程，不是全程參與。準諧振變換器分為零電流開關準諧振變換器和零電壓開關準諧振變換器。由于運行中變換器工作在諧振模式的時間只占一個開關周期中的一部分，而其余時間都是運行在非諧振模式，因此“諧振”一詞用“準諧振”代替。
零開關PWM變換器
該類變換器可分為零電壓開關PWM變換器和零電流開關PWM變換器。零開關PWM變換器技術是在PWM技術和諧振技術之間取了折中。在準諧振變換器的基礎上，加入一個輔助開關管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn)PWM控制。它既可以通過諧振為主功率開關管創(chuàng)造零電壓或零電流開關條件，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。當開關轉化完成后，轉換器返回到普通的PWM操作模式，因此可以減小電路的能量。開關損耗以最小的導通損失為代價而得到減少。然而這種變換器也有其自身的缺點，以零電壓PWM變換器為例，它與上面提到的零電壓開關準諧振變換器有個共同的特點就是開關管和諧振電容、諧振電感的電壓和電流應力是完全一樣的，也就是說要承受很高的電壓，這對于開關管來說是一個缺陷。
零轉換PWM變換器
該類變換器分為零電壓轉換PWM變換器和零電流轉換PWM變換器。對于使用MOSFET管的高頻轉換器來說，若能實現(xiàn)完全零電壓轉換操作，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，零電壓開關準諧振變換器中的開關器件承受了其在PWM電路中的兩倍電應力，開通損耗將大大增加。并且，主開關大的關斷電流將增加關斷損耗。當少數(shù)載流子器件，比如IGBT或BJT用于功率開關時，更要注意以上的缺陷。因此，前面幾種變換器與常規(guī)的硬開關變換電路相比，都毫無例外地極大地增加了電路中開關管的電壓或電流應力，使電路中的導通損耗明顯增加，從而部分地抵消了開關損耗降低的優(yōu)點。零轉換PWM變換器在開關上串聯(lián)一個諧振網(wǎng)絡，對于主控和輔助開關都可以在不增加其電壓和電流應力的情況下動作。
兩種電路的Pspice仿真結果及比較
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準諧振變換器和升壓零電壓轉換PWM變換器進行Pspice仿真。設定兩種電路的輸入電壓相同，以此分析比較開關管兩端的電壓應力。
采用Pspice軟件對軟開關變換器電路進行仿真研究
采用Pspice軟件對軟開關變換器電路進行仿真研究
圖1升壓半波模式的零電壓開關準諧振變換器原理圖
升壓半波模式的零電壓開關
準諧振變換器仿真
圖1為升壓半波模式的零電壓開關準諧振變換器的電路原理圖，仿真參數(shù)如圖中所示，開關頻率為700kHz。用Pspice軟件對原理圖進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2開關管通斷及其所受電壓應力仿真波形
從圖2中可以看出，當開關管關斷時，諧振電容限制了電壓的上升率，使開關管實現(xiàn)了零電壓關斷。諧振電容電壓下降到零，開關管的反并聯(lián)二極管導通，將開關管的電壓箝在零位，此時開關管在零電壓下導通。但同時也發(fā)現(xiàn)開關器件的確承受了很高的電壓應力，選擇開關器件時要加以考慮，這給實際應用帶來了安全性和可靠性的麻煩。
零電壓轉換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)在圖上標明，其中Q為主開關管，Qa為輔助開關管，開關頻率為100kHz。主副開關管的驅(qū)動波形如圖4所示。

圖3升壓零電壓PWM變換器原理圖

圖4主副開關管的驅(qū)動仿真波形
主開關管的導通和關斷都是在零電壓的條件下，輔助電路工作時間不長，只在主開關管開通工作時一段時間，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)絡與主功率開關器件并聯(lián)，因而在使主開關器件軟開關工作的同時，并沒有增加過高的電壓應力，這一點是與上面所提到的幾種變換器完全不同的。零轉換PWM變換器所具有的這些優(yōu)點，使得其成為目前在工程實際應用中最有發(fā)展前途的功率變換電路拓撲之一。
結語
軟開關技術在提供低損耗和更高工作頻率上比目前的硬開關技術取得了更顯著的效果，由于軟開關轉換器的研發(fā)努力，早期的商用器件的性能有了大幅度提高，也證實了這種技術所具有的潛在能力。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)在的軟開關變換器技術應用了諧振原理，電路中存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡，諧振網(wǎng)絡在電路中的存在必然會產(chǎn)生諧振損耗，使得控制系統(tǒng)變得更加復雜，這就使電路受到這種固有問題的影響，限制了軟開關變換器技術的應用?，F(xiàn)在國內(nèi)外許多人員在研究是否能實現(xiàn)以及如何實現(xiàn)無諧振網(wǎng)絡的軟開關變換器技術，并已取得一些進展。可以預言，無諧振網(wǎng)絡的軟開關變換器將是軟開關變換技術的發(fā)展趨勢。