摘要：开关电源随着输出功率的提升无疑会导致开关管所承受的电压或电流增加，如果仅仅使用普通的脉宽调制技术，那么将会导致开关管的开关损耗大幅度的增加。在硬开关环境下，传统开关器件的电磁干扰与开关损耗也较大，而软开关的出现就有效解决了这一问题。软开关技术的发展，使开关损耗以及开关噪音都大大减少，电路的效率也有了很大的提高。基于此，文章就一种应用软开关技术的大功率开关电源的设计进行分析。
关键词：软开关技术；大功率开关电源；设计方法
1 软开关技术的工作原理
软开关是以硬开关为基础的，是对传统硬开关的继承与改善。和硬开关不同，软开关增加了一些谐振器件，包括小电感、电容等。新增加的谐振器件构成了辅助换流网络，开关的条件也因此得到了很大的改善。硬开关不仅会造成开关损耗，还会产生噪音，但随着开关条件的改善，这一问题也得到了妥善解决。在软开关技术的支持下，开关损耗以及开关噪音都大大减少，电路的效率也因此有了很大的提高。软开关主要包括两个方面，一是软开通，二是软关断。软开通开关又可以称之为零电压开关，而软开断开关就是零电流开关，在运行过程中，一般先将电压下降到零，再将电流提升至通态值，这是理想的软开通过程。理想的软开关过程是不会产生开关损耗与开关噪音的，符合低碳、节能、环保的要求。
2 软开关技术的分类
2.1 谐振变换器
谐振变换器的实质是负载谐振变换器，最早被提出来是在上世纪七十年代。在标准脉宽调制变换器上附加谐振网络就会得到谐振变换器。根据谐振元件的不同谐振方式，可以将谐振变换器分为串联皆振和并联谐振两大类变换器。它的工作原理就是通过负载的谐振与谐振网络，调整经过开关元件的电压或电流，成为正弦波形，使开关元件在电流过零开通，在电压过零时关断，从而实现软开关的过程。
2.2 准谐振变换器和多谐振变换器
上世纪八十年代初期，李泽元教授在美国的UPEC和众多研究人员一起研究提出了谐振开关。作为准谐振变换器中的关键部分，它是在PWM的开关上添加了一些谐振元件。按照开关管与谐振电容和谐振电感的不同结合方式，可以将谐振开关分为零电压和零电流开关，这两种开关都有两种电路方式，即L型和M型，又各有全波和半波两种模式。
2.3 零开关PWM变换器零开关
变换器是在准谐振软开关中加入辅助开关管，控制谐振过程，实现PWM的控制，主要有零电压PWM和零电流PWM两种变换器。它在利用谐振换相后继续采用PWM，既保留了硬开关脉宽调制技术的低稳态应力和低稳态损耗的优点又克服了三大缺陷。
2.4 零转换PWM变换器
零转换PWM转换器的谐振网络是和主开关并联的。主要有ZVT一PWM变换器和ZCP一PWM变换器两种。零转换PWM转换器既能够解决谐振技术和PWM技术缺点，又能够综合二者的优点，是因为零转换PWM转换器在开关转换结束后立刻就变成了正常的工作方式，因此，这种转换器广泛应用于中、大功率的场合。
3 大功率高频开关电源原理
3.1 系统组成
大功率高频开关电源系统，电源系统中，输入条件是380V、50Hz的电压，经过蒸馏、滤波、H桥功率变换、高频变压器、输出整流、滤波、负载及蓄电池等环节。输入的三相电压380V，经过H桥功率变换，配合双极型晶体管，控制好开关的频率，保持在20kHz的状态，驱动电路的栅漏间，注重辅助电源、驱动电路、PWM电路、过压及欠压保护电路等，完成给定、PI调节器与输出限流电路，避免影响大功率高频开关电源的应用。
3.2 设计原理
大功率高频开关电源，属于一类线性开关，处于开关状态的电源设计，可以把基础降压电路作为研究案例，保障开关电源设计的有效性。大功率高频开关电源是闭合状态，设计中，持续电压就会在电感器的两端，发挥作用，促使电感的电流，表现出直线上升的状态，开关开通后，电能会转换存储于电感器内，达到开关电源关段时间中，负载的输出要求。开关电源断开，电感器输入端的实际电压，降低到零，电感的能量，要通过开关电源中配置的续流二极管实现负载的维持。
4 基于ZVS软开关技术的30KW大功率开关电源设计
4.1 主拓扑结构及工作原理简介
本拓扑主体结构主要由以下几部分组成：三相不控整流桥、滤波电容及泄放电阻、高频逆变桥、辅助电流源网络、谐振电感、隔值电容、高频变压器、阻容吸收ＲC、高频整流桥以及输出滤波网络组成。
本装置逆变桥处四个IGBT开关管采用移向全桥控制模式，其驱动波形如图2所示，Q1、Q2、Q3、Q4分别对应四个开关管的驱动波形。
当Q1、Q4导通时，VAB=+Vin，变压器原边电流通过回路Q1→A→C2→L2→B→Q4→Q1，由于Q2未导通，此时电容Cr2两端电压等于直流母线电压Vin；当Q1管关断后，由于L2的作用，变压器原边回路中的电流方向保持不变，此时，Cr1充电，Cr2放电，直到Cr1电压上升到Vin，Cr2放电到电压为0，随后D2自然导通，电流回路为D2→A→C2→L2→B→Q4→D2；由于Q1导通时Cr1被短路，电压为零，且电容电压不能发生突变，因此，在Q1关断时为零电压关断，由于D2的钳位作用，Q2导通时相当于短路状态，两端电压为零，因此Q2为零电压导通，接下来是Q4关断，同理，由于Cr4两端电压不能发生突变，所以Q4的关断也为零电压关断，在Q4关断后，回路中的电流会给Cr3放电，Cr4充电，当Cr3电压为零，Cr4电压上升到Vin后，D3自然导通，为变压器原边电流提供回路，同时将Q3电压钳位在零，紧接着Q3零电压开通，此时VAB=－Vin，原边电流减小到零后，电流开始反向增加，直到最大值，接下来就开始另半周期的动作，原理与上相同。
图1移相全桥驱动波形
4.2 实验
采用上述拓扑结构研制30kW开关电源一台。其主要技术参数如下：输入电压为380V三相交流，输出额定功率为30kW，输出最高电压800V，输出最高电流40A，Cr1=Cr2=30nF，Cr3=Cr4=18nF，L1=60μH，L2=15μH，C2=20μF，Cr5=Cr6=22nF，工作频率为20kHz。
实验结果表明，采用以上所述设计方案设计出的30kW开关电源其能够较好的实现ZVS，特别是滞后桥壁，且占空比损失小，IGBT及电感器件发热量低，整体工作性能稳定，效率可达92%以上。
参考文献：
[1]刘勇.基于移相全桥软开关技术的中大功率开关电源的设计[D].西京学院，2015.
[2]吴乐茂.一种新型大功率电源软开关技术研究[D].华南理工大学，2016.
论文作者:王志强,李相锋,李东,俞晓丽
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/18
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