1.3 ZCS、ZVS、ZCSPWM、ZVTPWM变换器软开关技术简介

1.3.1ZCS变换器

如图1-5（a）所示，在开关管支路上串联电感，是ZCS（ZeroCurrentSwitching）的基本思路。开关器件导通时，抑制di/dt，消除开关管上的电压U、电流i的重叠时间，从而不会产生开关损耗。为确保开关器件的安全，在开关管关断之前，串联电感上的能量要释放为零（电流为零）。

图1-5（b）是ZCS型准谐振变换器的基本结构。该方案利用串联电感实现ZCS导通，谐振时电感放电，再利用反并联二极管进行关断。在反向导通的开关器件上串联谐振电感Lr，外侧并联谐振电容Cr，形成零电流谐振开关。图1-5（c）为电压电流波形，t0时刻驱动开关管导通，由于Lr的初始电流为零，开关动作属于ZCS。

谐振开关在t0～t4期间有一连串动作，中途不能停止，输出电压为UC的平均值，以固定导通时间进行控制。该变换器没有开关器件和续流二极管之间的短路状态，导通和关断都属于ZCS型。

利用ZCS方式使器件导通时，开关器件的极间电容上积蓄的电荷都短路掉，能量没有充分利用。因此，一般ZCS只用在500kHz以下开关动作的场合。

1.3.2 ZVS变换器

如图1-6（a）所示，在开关管上并联电容，是ZVS（Zero VoltageSwitching）的基本思路。开关管关断时，抑制du/dt，消除u、i重叠时间，避免产生开关损耗。可在任意时刻以ZCS关断。开关管导通之前，并联电容上的电荷要放完，以确保开关管的安全。

图1-6（b）是ZVS准谐振变换器的基本结构。这种方式是利用并联电容使开关器件ZVS导通，由于谐振电容放电，并通过串联二极管导通而工作。在开关管VT上并联谐振电容Cr，其外侧串联谐振电感Lr，构成零电压谐振开关。图1-6（c）是其电压电流波形。

该变换器的关断时间是固定的，通过控制频率可以控制输出电压Uo。准谐振ZVS实现零电压导通条件是，谐振电压的峰值高于电源电压。

谐振ZVS开关器件的极间电容是谐振电路的一部分，不造成损耗，适用于500kHz以上的高频动作，但负载范围窄，只适用固定负载或接近于固定的负载。

1.3.3 ZCSPWM变换器

当外部电路电流流经图1-7（a）所示二极管VD时，开关管VT处于零电压、零电流状态。此时导通或关断开关管VT，都是ZVS、ZCS动作。外部电路由LC无源器件、辅助开关等谐振电路组成，也有同时使用电感和电容的情况。谐振型变换器兼用了反并联二极管的ZCS和ZVS的功能。

图1-7（b）所示为谐振型ZCSPWM降压式变换器的主电路及波形图，图中VT1（g）和VT（g）分别表示辅助开关管VT1和主开关管VT的驱动信号，UDS、UDS1和分别为VT、VT1和谐振电容Cr两端的电压为流过VT和谐振电感Lr的电流。与谐振式ZCS相比，多了一个与谐振电容Cr串联的辅助开关管VT1，主开关管VT与谐振电感Lr串联。设t＜t0时。主开关管VT和辅助开关管VT1均关断，t=t0时，令主开关管VT导通。一周内有6种运行模式，见表1-2。

Buck型ZCS-PWM变换器的主开关最大电压钳定在Ui，最大电流Imax=Io+Ui/Zn发生在模式2准谐振阶段，为特征阻抗。

ZCS-PWM变换器的优点是：①主开关器件及辅助开关器件零电流关断；②恒频控制；③主开关电压应力小；④续流二极管VD零电压关断。缺点是：①主开关电流应力大；②谐振电感与主开关串联，满足零电流开关条件的电源电压，负载电流变化范围窄；③续流二极管VD电压应力等于2Ui; ④谐振网络未吸收主开关管结电容能量，关断时有寄生振荡。

1.3.4 ZVTPWM变换器

图1-8所示为ZVTPWM变换器的主电路结构。主开关管VT导通前，使辅助开关管VT1导通，Lr、L有电流通过。VD关断后，由于LrCr谐振，Cr放电。放电结束后，使VT以ZVS导通。此后，使VT1关断，Lr的电流经过VD1返回电源。任意时刻使VT关断，由于Cr存在，VT是以ZVS关断的。

优点：VT、VD都是软开关动作，耐压和电流有效值与硬开关PWM一样。

缺点：VT1导通是软开关，而关断是硬开关。因电流有效值小，使用高速器件更好。

主开关器件使用IGBT，开关频率为100kHz, 600W的升压DC-DC变换器，效率可达97.3%。增加电容和二极管，辅助开关器件的关断也可实现ZVS。

1.3.5 ZCTPWM变换器

ZCSPWM变换器的谐振电路与主电路并联，使主电路的电流不通过谐振电感，则主开关器件的峰值电压和电源电压相等，不会增加谐振电感引起的导通损耗，效率与硬开关PWM相同。

图1-9所示为ZCTPWM变换器的结构图。开关动作时，谐振的反向电流提供给主开关管VT和续流二极管VD。VD导通期间，Cr的电压是左正右负。

先触发辅助开关管VT1导通，通过VT1、VD流过谐振电流，谐振电流反方向时，VT1反并联二极管导通，使VD电流为零。在这种状态下触发VT导通，Cr的电压为零；要关断时，先触发VT1导通，通过VT、VT1驱动谐振电路，谐振电流反向时，VT1、VT的反并联二极管导通，此时使VT关断。VD导通后，Cr被充电，左正右负。

优点：主、辅器件和续流二极管都是ZCS动作，辅助器件关断时要求不是很严格。

缺点：主器件的电流峰值大。

主器件采用MCT、辅助器件使用IGBT,20kHz、300V、5kW的DC-DC变换器的效率达到98.5%。