ZVS和ZCS变换器IGBT软开关技术

IGBT软开关技术是相对于硬开关技术而言。所谓“软开关”，是指功率开关管导通时，其上电压为零，称为零电压开关( Zero-Voltage-Switch，ZVS)；而在关断时，功率开关管的电 流为零，称为零电流开关(Zero-Current-Switch，ZCS)。理想情况下，可以实现开关损耗为零。利用软开关技术可以将开关频率提高到几赫兹。开关频率的提高，可以相应地减小变压器和滤波器的体积和重量，使开关电源小型化，从而大大提高了变换器的功率密度。

下面介绍的变换器，其输人为直流电压或脉动直流电压，输出为稳定直流电压，通常也称为DC/DC变换器。

ZVS和ZCS的基本形式如图1所示。从图中可知，它们是由 PWM开关管和LC谐振电路组成。它是利用LC谐振电压（或电流）过零时，PWM开关管导通（或关断），实现ZVS(或ZCS)。此类变换器也称为准谐振变换器(Quasi-Resonent Converter，QRC)。

以图1(a)的全波型ZVS为例。在功率开关管V处于关断状态时，Lr和Cr（包括功率开关管的输出电容）串联谐振，电容器 Cr上的电压是准正弦半波，即功率开关管V承受的电压是准正弦半波。当 V上的电压过零时，PWM令V导通，实现ZVS。

以图1(d)的半波型ZCS为例。在功率开关管V处于导通状态时，Lr和Cr并联谐振，流过V的电流为准正弦半波。当 V中的电流过零时，PWM令V关断，实现ZCS。准谐振ZVS和ZCS适用于各种拓扑形式的降压型和升压型开关电路。在ZVS中的功率开关管输出电容上的能量通过L，C，谐振而释放，不会产生导通损耗。而在ZCS中的功率开关管输出电容上能量通过导通的开关管产生导通损耗，特别是在较高频率下工作时导通损耗更大。所以，ZVS 比ZCS更具有实用价值，更易高频化。

图1 ZVS和ZCS的基本形式1. ZVS变换器的工作原理

以Buck 半波型ZVS变换器为例来说明ZVS变换器的工作原理。图2(a)是Buck 半波型ZVS变换器的原理图，其工作波形如图2(b)所示。

假设t=0时，电路的初始状态为ug≠o，功率开关管V导通，电容器 Cr上的电压Ucr=0，流经电感Lr的电流 iLr，=iLM =ILo，流过V的电流 iV＝iLr= iLM＝ILo。

在t=t0时，ug=0，功率开关管V进入关断状态，电容器Cr经电感器Lr被直流输入电源Vcc充电，充电电流为iLr，并保持不变。

在t=t1时，ucr=Vcc，ILr开始下降。Lr和Cr谐振，uCr为准正弦波。

在t=t2时，uCr达到最高值并开始放电，iLr过零并开始变负。

在t=t3时，uCr下降到ucr=Vcc，iLr达到负最大值并开始上升。

在t=t4时，uCr放电到uCr=0。

在t=t4~t=t5时段，uCr保持为零，即功率开关V两端电压为零。若在此时段令功率开关管导通，则实现了零电压导通。

在t=t5~t=t7时段，功率开关管V进入导通过程，此后进入导通状态（稳态）。

图2 Buck半波型ZVS变换器的原理图和工作波形

2. ZCS变换器的工作原理

以Buck 全波型ZCS变换器来说明zcs变换器的工作原理。Buck 全波型ZCS变换电路的原理图和工作波形如图3所示。

假设t=0时，电路的初始状态为ug =0，功率开关管V处于关断状态，电容器Cr上已充满电压，uCr＝ Vcc，流经电感Lr的电流 iLr=0。

在t=t0时，功率开关管V受ug的驱动而导通，电流iLr开始上升。

在t=t1时，Cr与Lr谐振，iLr的波形为正弦波形，uCr按照正弦波的规律下降。

在t=t2时，iLr达到最大值ILM，ILM＝ IL0 +Vcc/Zr（Zr为LrCr谐振回路的谐振阻抗）并开始下降；uCr下降到零，并开始反向充电。

在t=t3时，iLr下降到 iLr=IL0，uCr达到负的最大值，并开始放电。

在t= t4时，iLr下降到零，并开始变为负值；Cr继续放电。

在t=ts时，iLr下降到负的最大值，并开始上升；uCr=0。若此时驱动电压ug =0，功率开关管V 关断，实现零电压关断。若在t=t4时，令V 关断，由于iLr=0，实现零电流关断。在这两个时刻令V关断，关断损耗都可做到为零。所以，在t4~t5时段内，令功率开关管关断，可达到关断损耗很小的目的。

图3 Buck全波型ZCS变换器的原理图和工作波形

变换器 IGBT模块选型 资料