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两种PWM变换器无源软开关方法的比较分析
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1 引言
近年来，随着开关电源频率的不断提高，所产生的开关损耗、电磁干扰（EMI）、尖峰电压、尖峰电流等问题引起了人们的极大关注，为克服上述问题，提出了很多软开关的方法[1][2][3]。其中，有源软开关技术 比较成熟，在大功率场合应用广泛，取得了理想的效果。但是，它需要额外的有源开关以及相应的控制、检测、驱动电路，结构复杂，成本较高，对于较小的功率场合则显得很不经济。而无源软开关技术只用一些无源器件来实现软开关，所用原器件少，结构简单，成本很低且效果理想，引起了人们的广泛关注。本文就两种典型的PWM变换器无源软开关方法作一介绍并作比较分析。
2 具有最简拓扑的无源软开关方法
无源软开关主要以结构简单、成本低廉获得了发展的价值，因此，结构是否简单成为了衡量无源软开关的一个标准。
文献[4]从理论上说明了构成无源软开关要附加至少五个无源元器件。除了用于开通缓冲的一个限流电感器Lr，用于关断缓冲的一个吸能电容器Cr，一个在开通或关断两种不同情况下，使吸能电路电流有向流动的隔离二极管Ds1以及使馈能回路电流有向流动的二极管Ds2这些必要的元件外，还巧妙地加入了一个附加在变流器电感器L上的小功率耦合绕组La，构成实现无源软开关所要附加的最简拓扑，如图1所示，根据电流有向流动的方向来选择a或b。
该拓扑可附加在Buck 、Boost、Buck- Boost、Cuk等DC/DC变换器中,实现电路的软开关。在Boost电路中的运用如图2所示。
一个开关周期内电路主要参数波形如图3所示。其工作过程简单分析如下：
在ｔ1时刻,主开关管S开通,由于电感Ｌr的限流作用，开关管S实现零电流的软开通;在阶段2(ｔ2～ｔ3)，Ｄ关断,Cr开始放电,耦合绕组La的感应电势使Cr上的电势自举提高,直到电容Cr完全释放储能；在ｔ4时刻,主开关管Ｓ关断,由于缓冲电容Cr上的电压要从零开始上升，因此开关管S实现了零电压关断。具体的工作过程可参见文献[4]。
该电路所用原器件少（5个），结构简单，在参数设计没有特别的要求，在75W到225W功率范围内可达到95%的效率。但在稍高功率输出时，它的效率就会有所下降，同时，它能实现软开关的输入电压以及负载变化范围小，占空比D要限制在0.5以内，这在一定程度上限制了它的应用范围。
[p] 3 最小电压应力和无最小电压应力无源软开关方法
文献[5][6]概括地提出将无源软开关方法按电路结构与特性的基本差异用一般化方法归结于两组基本电路元胞。一组为使电子开关上保持与硬开关变换器同样电压应力的称为最小电压应力（MVS）电路元胞,另一组为允许电子开关上有较高电压但无约束条件的称为无最小电压应力(non-MVS)电路元胞。见表1。这些电路元胞适当地附加在基本的硬开关DC/DC变换器中可实现无源软开关。在元胞5、6中，MOSFET为主电路开关管，也可用IGBT等其他类型的开关管代替。
3.1 MVS电路元胞软开关方法
在分析之前作如下假设：升压电感L足够大，在整个工作周期中，IL为恒定值I。元胞1附加在Boost上的等效电路如图4所示。
在开关管关断稳态时，Lr上的电流为I；S开通时，由于ILr不能突变，S上的电流从零开始增加，实现了零电流开通。开通后Cr 与Lr、Cs谐振，使Cr上的电压复位在-V，S关断时承受的电压为VCr与输出电压V之和为零，由于VCr不能突变，所以S实现了零电压关断。在整个开关周期中，S承受的最大电压应力与普通硬开关状态相同为V，故称为最小电压应力（MVS）。
元胞1附加在Boost电路中的具体工作过程可参见文献[5]。该电路参数的选择应该注意如下问题：
第一，在Cr置位阶段（VCr回到零）中，Cr继续充电，但是如果电流太小，将达不到实现软开关所需要的电压。这是由于有个感应的正电压加在Lr上，它开始导通，如果Lr上的电流在VCr回到零之前达到I，那么输入电流I将不会全部流过Lr，这样，阶段5c、5d、5e继续，零电流开通失败。为保证零电流开通，须满足：
这样，在设计中，Cr和Cs的比值受到了限制，x取值一般在0.1左右。
第二，如果式（2）得到满足，进入Lr置位阶段（ILr回到I），由于Ds2和Ds1导通，Cs与Lr并联，Cs中的能量用来使Lr中的电流达到I，以实现零电流开通，这样就有：
为留裕量，I取Imax。同样， Lr 和Cr的比值也受到了一定的限制。
3.2 non-MVS电路元胞软开关方法
电路元胞3只是在元胞1的基础上加了一个电感Ls，为更直接比较MVS电路元胞与non-MVS电路元胞的差异，将元胞3附加Boost电路上进行比较分析。见图5。
[p] 电路分析之前的假设与2.1相同，且它们实现零电流开通和零电压关断的原理也相同。其具体工作过程可参见文献[6]。
在设计参数中与MVS的一个重要不同之处是Cs的取值要远大于Cr，在这里将一个开关周期内Cs上的电压视为恒定值Vr。
non-MVS电路元胞无源软开关电路中，主开关管在一个开关周期内承受的最大电压应力：
Vs=V+Vr （7）
其中Vr就是较硬开关所增加的电压应力，故成为无最小电压应力（non-MVS）。其值一般在V/10到V/2之间，具体可用下式表示：
同时，在该电路中，没有Lr/Cr的限制，并且一部分电流从Ls中流过，减小了部分电压应力。
3. 3 MVS与non-MVS电路元胞的比较
MVS电路元胞不会增加主开关管的电压应力，所用无源器件较少，但在设计中Lr、Cr以及Cs、Cr的比值要受到限制，这也限制了占空比的变化范围；non-MVS电路元胞增加了主开关管的电压应力，但也减小了一部分电流应力，所用无源器件比MVS电路元胞多一个，而在设计中不会受到Lr、Cr比值的限制，因此它的占空比变化范围更大；同时，在相同Lr、Cr值时，non-MVS能达到更高的效率及更低的EMI。在输入电压为100V、输出电压为250V、输出功率均为750W时，它们的一些特性参数比较见表2。
4 最简拓扑电路与MVS、non-MVS电路元胞的比较
从表2中也可以看出 ,MVS和non-MVS电路元胞比最简拓扑电路分别多用了1个和2个器件，馈能需要至少两次的能量转移,开通、关断缓冲与馈能过程互不独立,电路较复杂,一个开关周期中要分八个工作阶段才能完成缓冲与馈能。能量转移与功率损耗相关,工作阶段多意味着缓冲电路元件设计参数复杂、优化比较困难[5][6]。 但MVS、non-MVS电路元胞的占空比得到了较大扩展，能适应较大范围的输入电压和输出负载变化，输出功率也提高了很多。因此，在功率等级较大和对稳定性有一定要求的场合， MVS和non-MVS电路元胞无源软开关方法应该是更为理想的选择。
4. 结语
本文介绍了两种通过附加无源器件来实现PWM变换器无源软开关的方法，其中前者强调了附加电路是否最简，而后者则根据是否增加主开关管的电压应力又分为两类。并通过两种方法的比较分析，得出了它们各自的优缺点以及适用的场合。
PWM变换器的无源软开关显示了很多的优越性，在中小功率场合，它将占有一席之地。
参考文献
[1] R. Streit and D Tollik, “High efficiency telecom rectifier using a novel soft-switched boost-based input current shaper,” in IEEE Intelec Conf. Rec.,1991,pp. 72726.
[2] G.Hua,C.Leu,Y.Jiang, and F.Lee,“Novel zero-voltage switch-transition PWM converters”, IEEE Trans. Power Electron., vo1.9, pp. 213-219,Mar.1994.
[3] K.Mark Smith, Jr., and K.M. Smedley,“A comparing of voltage-mode soft-switching methods for PWM converters,” in IEEE Trans. Power Electron.,v01.12, N0.2, March 1997,pp.376-386.
[4] 林周布.一种具有最简拓扑的无源软开关新技术., 电工技术学报，2002，17（2）65-70
[5] K.Mark Smith, Jr., and K.M. Smedley,‘‘Engineering design of lossless passive soft switching methods for PWM converters-Part I：with minimum voltage stress circuit cells” in IEEE Trans. Power Electron., Vo1.16 No.3, pp. 336-344. MAY 2001
[6] K.Mark Smith, Jr., and K.M.Smedley, “Engineering design of lossless passive soft switching methods for P W M converters-Part II: non-minimum voltage stress circuit cells” in IEEE, 1998.pp.669-674.
近年来，随着开关电源频率的不断提高，所产生的开关损耗、电磁干扰（EMI）、尖峰电压、尖峰电流等问题引起了人们的极大关注，为克服上述问题，提出了很多软开关的方法[1][2][3]。其中，有源软开关技术 比较成熟，在大功率场合应用广泛，取得了理想的效果。但是，它需要额外的有源开关以及相应的控制、检测、驱动电路，结构复杂，成本较高，对于较小的功率场合则显得很不经济。而无源软开关技术只用一些无源器件来实现软开关，所用原器件少，结构简单，成本很低且效果理想，引起了人们的广泛关注。本文就两种典型的PWM变换器无源软开关方法作一介绍并作比较分析。
2 具有最简拓扑的无源软开关方法
无源软开关主要以结构简单、成本低廉获得了发展的价值，因此，结构是否简单成为了衡量无源软开关的一个标准。
文献[4]从理论上说明了构成无源软开关要附加至少五个无源元器件。除了用于开通缓冲的一个限流电感器Lr，用于关断缓冲的一个吸能电容器Cr，一个在开通或关断两种不同情况下，使吸能电路电流有向流动的隔离二极管Ds1以及使馈能回路电流有向流动的二极管Ds2这些必要的元件外，还巧妙地加入了一个附加在变流器电感器L上的小功率耦合绕组La，构成实现无源软开关所要附加的最简拓扑，如图1所示，根据电流有向流动的方向来选择a或b。
该拓扑可附加在Buck 、Boost、Buck- Boost、Cuk等DC/DC变换器中,实现电路的软开关。在Boost电路中的运用如图2所示。
一个开关周期内电路主要参数波形如图3所示。其工作过程简单分析如下：
在ｔ1时刻,主开关管S开通,由于电感Ｌr的限流作用，开关管S实现零电流的软开通;在阶段2(ｔ2～ｔ3)，Ｄ关断,Cr开始放电,耦合绕组La的感应电势使Cr上的电势自举提高,直到电容Cr完全释放储能；在ｔ4时刻,主开关管Ｓ关断,由于缓冲电容Cr上的电压要从零开始上升，因此开关管S实现了零电压关断。具体的工作过程可参见文献[4]。
该电路所用原器件少（5个），结构简单，在参数设计没有特别的要求，在75W到225W功率范围内可达到95%的效率。但在稍高功率输出时，它的效率就会有所下降，同时，它能实现软开关的输入电压以及负载变化范围小，占空比D要限制在0.5以内，这在一定程度上限制了它的应用范围。
[p] 3 最小电压应力和无最小电压应力无源软开关方法
文献[5][6]概括地提出将无源软开关方法按电路结构与特性的基本差异用一般化方法归结于两组基本电路元胞。一组为使电子开关上保持与硬开关变换器同样电压应力的称为最小电压应力（MVS）电路元胞,另一组为允许电子开关上有较高电压但无约束条件的称为无最小电压应力(non-MVS)电路元胞。见表1。这些电路元胞适当地附加在基本的硬开关DC/DC变换器中可实现无源软开关。在元胞5、6中，MOSFET为主电路开关管，也可用IGBT等其他类型的开关管代替。
3.1 MVS电路元胞软开关方法
在分析之前作如下假设：升压电感L足够大，在整个工作周期中，IL为恒定值I。元胞1附加在Boost上的等效电路如图4所示。
在开关管关断稳态时，Lr上的电流为I；S开通时，由于ILr不能突变，S上的电流从零开始增加，实现了零电流开通。开通后Cr 与Lr、Cs谐振，使Cr上的电压复位在-V，S关断时承受的电压为VCr与输出电压V之和为零，由于VCr不能突变，所以S实现了零电压关断。在整个开关周期中，S承受的最大电压应力与普通硬开关状态相同为V，故称为最小电压应力（MVS）。
元胞1附加在Boost电路中的具体工作过程可参见文献[5]。该电路参数的选择应该注意如下问题：
第一，在Cr置位阶段（VCr回到零）中，Cr继续充电，但是如果电流太小，将达不到实现软开关所需要的电压。这是由于有个感应的正电压加在Lr上，它开始导通，如果Lr上的电流在VCr回到零之前达到I，那么输入电流I将不会全部流过Lr，这样，阶段5c、5d、5e继续，零电流开通失败。为保证零电流开通，须满足：
这样，在设计中，Cr和Cs的比值受到了限制，x取值一般在0.1左右。
第二，如果式（2）得到满足，进入Lr置位阶段（ILr回到I），由于Ds2和Ds1导通，Cs与Lr并联，Cs中的能量用来使Lr中的电流达到I，以实现零电流开通，这样就有：
为留裕量，I取Imax。同样， Lr 和Cr的比值也受到了一定的限制。
3.2 non-MVS电路元胞软开关方法
电路元胞3只是在元胞1的基础上加了一个电感Ls，为更直接比较MVS电路元胞与non-MVS电路元胞的差异，将元胞3附加Boost电路上进行比较分析。见图5。
[p] 电路分析之前的假设与2.1相同，且它们实现零电流开通和零电压关断的原理也相同。其具体工作过程可参见文献[6]。
在设计参数中与MVS的一个重要不同之处是Cs的取值要远大于Cr，在这里将一个开关周期内Cs上的电压视为恒定值Vr。
non-MVS电路元胞无源软开关电路中，主开关管在一个开关周期内承受的最大电压应力：
Vs=V+Vr （7）
其中Vr就是较硬开关所增加的电压应力，故成为无最小电压应力（non-MVS）。其值一般在V/10到V/2之间，具体可用下式表示：
同时，在该电路中，没有Lr/Cr的限制，并且一部分电流从Ls中流过，减小了部分电压应力。
3. 3 MVS与non-MVS电路元胞的比较
MVS电路元胞不会增加主开关管的电压应力，所用无源器件较少，但在设计中Lr、Cr以及Cs、Cr的比值要受到限制，这也限制了占空比的变化范围；non-MVS电路元胞增加了主开关管的电压应力，但也减小了一部分电流应力，所用无源器件比MVS电路元胞多一个，而在设计中不会受到Lr、Cr比值的限制，因此它的占空比变化范围更大；同时，在相同Lr、Cr值时，non-MVS能达到更高的效率及更低的EMI。在输入电压为100V、输出电压为250V、输出功率均为750W时，它们的一些特性参数比较见表2。
4 最简拓扑电路与MVS、non-MVS电路元胞的比较
从表2中也可以看出 ,MVS和non-MVS电路元胞比最简拓扑电路分别多用了1个和2个器件，馈能需要至少两次的能量转移,开通、关断缓冲与馈能过程互不独立,电路较复杂,一个开关周期中要分八个工作阶段才能完成缓冲与馈能。能量转移与功率损耗相关,工作阶段多意味着缓冲电路元件设计参数复杂、优化比较困难[5][6]。 但MVS、non-MVS电路元胞的占空比得到了较大扩展，能适应较大范围的输入电压和输出负载变化，输出功率也提高了很多。因此，在功率等级较大和对稳定性有一定要求的场合， MVS和non-MVS电路元胞无源软开关方法应该是更为理想的选择。
4. 结语
本文介绍了两种通过附加无源器件来实现PWM变换器无源软开关的方法，其中前者强调了附加电路是否最简，而后者则根据是否增加主开关管的电压应力又分为两类。并通过两种方法的比较分析，得出了它们各自的优缺点以及适用的场合。
PWM变换器的无源软开关显示了很多的优越性，在中小功率场合，它将占有一席之地。
参考文献
[1] R. Streit and D Tollik, “High efficiency telecom rectifier using a novel soft-switched boost-based input current shaper,” in IEEE Intelec Conf. Rec.,1991,pp. 72726.
[2] G.Hua,C.Leu,Y.Jiang, and F.Lee,“Novel zero-voltage switch-transition PWM converters”, IEEE Trans. Power Electron., vo1.9, pp. 213-219,Mar.1994.
[3] K.Mark Smith, Jr., and K.M. Smedley,“A comparing of voltage-mode soft-switching methods for PWM converters,” in IEEE Trans. Power Electron.,v01.12, N0.2, March 1997,pp.376-386.
[4] 林周布.一种具有最简拓扑的无源软开关新技术., 电工技术学报，2002，17（2）65-70
[5] K.Mark Smith, Jr., and K.M. Smedley,‘‘Engineering design of lossless passive soft switching methods for PWM converters-Part I：with minimum voltage stress circuit cells” in IEEE Trans. Power Electron., Vo1.16 No.3, pp. 336-344. MAY 2001
[6] K.Mark Smith, Jr., and K.M.Smedley, “Engineering design of lossless passive soft switching methods for P W M converters-Part II: non-minimum voltage stress circuit cells” in IEEE, 1998.pp.669-674.
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