開關電源的波形對比
硬開關的工作特性
圖3是開關管開關時的電壓和電流波形。開關管不是理想器件,因此在開關管開關工作時,要產生開通損耗和關斷損耗,統稱為開關損耗(SwitchingLoss)。開關頻率越高,總的開關損耗越大,變換器的效率就越低。開關電源損耗的存在限制了變換器開關頻率的提高,從而限制了變換器的小型化和輕量化。
傳統PWM變換器中的開關器件工作在硬開關狀態,硬開關工作的四大缺陷妨礙了開關器件工作頻率的提高,它存在如下問題:
(a)開通和關斷損耗大:在開通時,開關器件的電流上升和電壓下降同時進行:關斷時,電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊致使器件的開通損耗和關斷損耗隨開關頻率的提高而增加。
(b)感性關斷問題:電路中難免存在感性元件(引線電感、變壓器漏感等寄生電感或實體電感)、當開關器件關斷時,由于通過該感性元件的di / dt很大,和 dv / dt,從而產生大的電磁千擾(Electromagnetic Interference,EMI),而且產生的尖峰電壓加在開關器件兩端,易造成電壓擊穿。
(c)容性開通問題:當開關器件在很高的電壓下開通時,儲藏在開關器件結電容中的能量將全部耗散在該開關器件內,引起開關器件過熱損壞。
(d)二極管反向恢復問題:二極管由導通變為截止時存在著反向恢復期,在此期間內,二極管仍處于導通狀態,若立即開通與其串聯的開關器件,容易造成直流電源瞬間短路,產生很大的沖擊電流,輕則引起該開關器件和二極管耗急劇增加,重則致其損壞。圖4給出了接感性負載時,開關電源工作在硬開關條件下的開關的開關軌跡,圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區(Safetyoperation area,SOA),如果不改善開關管的開關條件,其開關軌跡很可能會超出安全工作區,導致開關管的損壞。
軟開關技術的特性和實現策略
從前面的分析可以知道,開關電源損耗包括開通損耗和關斷損耗。利用軟開關技術可以減小變換器的開通損耗和關斷。軟開關的開通和關斷波形如圖5所示。
