開關電源中的軟開關技術解析
開關電源中的硬開關和軟開關是針對開關晶體管而言的。硬開關是不管開關管上的電壓或電流，強行接通或關斷開關管。當開關管（漏極和源極之間，或者集電極和發(fā)射極之間）的電壓及電流較大時，切換開關管，由于開關管狀態(tài)間的切換（由導通到截止，或由截止到導通）需要一定的時間，這樣就會造成在開關管狀態(tài)切換的某一段時間內(nèi)，電壓和電流有一個交越區(qū)域，這個交越造成的開關管損耗（開關管的切換損耗）隨開關頻率的提高而急速增加。
若是感性負載，在開關晶體管關斷時會感應出尖峰電壓。開關頻率越高，關斷越快，該感應電壓越高。此電壓加在開關器件兩端，容易造成器件擊穿。
若是容性負載，在開關晶體管導通瞬間的尖峰電流大。因此，當開關晶體管在很高的電壓下接通時，儲存在開關晶體管結電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高，開通電流尖峰越大，從而會引起開關管的過熱損壞。
另外，在次級高頻整流回路中的二極管，在由導通變?yōu)榻刂箷r，有一個反向恢復期，開關晶體管在此期間內(nèi)接通時，容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高，該沖擊電流也越大，對開關晶體管的安全運行造成危害。
最后，做硬開關運用的開關電源中，開關晶體管會產(chǎn)生嚴重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大，所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大，影響開關電源本身和周圍電子設備的正常工作。
上述問題嚴重阻礙了開關器件（開關晶體管和高頻整流二極管）工作頻率的提高。近年來開展的軟開關技術研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關工作原理不同，理想的軟關斷過程是電流先降小到零，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關斷損耗近似為零。由于器件關斷前電流已經(jīng)下降到零，便解決了感性關斷問題。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，器件結電容的電壓也為零，解決了容性開通問題。同時，開通時，二極管反向恢復過程已經(jīng)結束，因此二極管反向恢復問題不存在。
軟開關技術還有助于電磁騷擾水平的降低，其原因是開關晶體管在零電壓的情況下導通和在零電流的情況下關斷，同時快恢復二極管也是軟關斷的，這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt，從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來說軟開關的效率較高（因為沒有切換損）；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以開關電源的體積可以做到更小。但成本也相對較高，設計較復雜。
開關電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開關電源
顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。
開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關穩(wěn)壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關電源、并聯(lián)式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（后面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關電源也將逐步進行詳細分析。
1-2.串聯(lián)式開關電源
1-2-1.串聯(lián)式開關電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開關電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關，R是負載。當控制開關K接通的時候，開關電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當控制開關K關斷的時候，又相當于開關電源向負載R輸出一個脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關K不停地“接通”和“關斷”，在負載兩端就可以得到一個脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開關電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關K輸出電壓uo是一個脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關K的接通時間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
串聯(lián)式開關電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開關電源屬于降壓型開關電源。
串聯(lián)式開關電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應用很廣。例如，電動摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關電源的應用。如果串聯(lián)式開關電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。
串聯(lián)式開關電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。
若是感性負載，在開關晶體管關斷時會感應出尖峰電壓。開關頻率越高，關斷越快，該感應電壓越高。此電壓加在開關器件兩端，容易造成器件擊穿。
若是容性負載，在開關晶體管導通瞬間的尖峰電流大。因此，當開關晶體管在很高的電壓下接通時，儲存在開關晶體管結電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高，開通電流尖峰越大，從而會引起開關管的過熱損壞。
另外，在次級高頻整流回路中的二極管，在由導通變?yōu)榻刂箷r，有一個反向恢復期，開關晶體管在此期間內(nèi)接通時，容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高，該沖擊電流也越大，對開關晶體管的安全運行造成危害。
最后，做硬開關運用的開關電源中，開關晶體管會產(chǎn)生嚴重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大，所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大，影響開關電源本身和周圍電子設備的正常工作。
上述問題嚴重阻礙了開關器件（開關晶體管和高頻整流二極管）工作頻率的提高。近年來開展的軟開關技術研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關工作原理不同，理想的軟關斷過程是電流先降小到零，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關斷損耗近似為零。由于器件關斷前電流已經(jīng)下降到零，便解決了感性關斷問題。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，器件結電容的電壓也為零，解決了容性開通問題。同時，開通時，二極管反向恢復過程已經(jīng)結束，因此二極管反向恢復問題不存在。
軟開關技術還有助于電磁騷擾水平的降低，其原因是開關晶體管在零電壓的情況下導通和在零電流的情況下關斷，同時快恢復二極管也是軟關斷的，這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt，從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來說軟開關的效率較高（因為沒有切換損）；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以開關電源的體積可以做到更小。但成本也相對較高，設計較復雜。
開關電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開關電源
顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。
開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關穩(wěn)壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關電源、并聯(lián)式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（后面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關電源也將逐步進行詳細分析。
1-2.串聯(lián)式開關電源
1-2-1.串聯(lián)式開關電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開關電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關，R是負載。當控制開關K接通的時候，開關電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當控制開關K關斷的時候，又相當于開關電源向負載R輸出一個脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關K不停地“接通”和“關斷”，在負載兩端就可以得到一個脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開關電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關K輸出電壓uo是一個脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關K的接通時間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
串聯(lián)式開關電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開關電源屬于降壓型開關電源。
串聯(lián)式開關電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應用很廣。例如，電動摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關電源的應用。如果串聯(lián)式開關電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。
串聯(lián)式開關電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。
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