硬开关与软开关

硬开关:

  • 1.开关损耗大。开通时,开关器件的电流上升和电压下降同时进行;关断时,电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗,该损耗随开关频率的提高而急速增加。
  • 2.感性关断电尖峰大。当器件关断时,电路的感性元件感应出尖峰电压,开关频率愈高,关断愈快,该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端,易造成器件击穿。
  • 3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时,储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高,开通电流尖峰愈大,从而引起器件过热损坏。另外,二极管由导通变为截止时存在反向恢复期,开关管在此期间内的开通动作,易产生很大的冲击电流。频率愈高,该冲击电流愈大,对器件的安全运行造成危害。
  • 4.电磁干扰严重。随着频率提高,电路中的di/dt和dv/dt增大,从而导致电磁干扰(EMI)增大,影响整流器和周围电子设备的工作。

软开关:

上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作不同,理想的软关断过程是电流先降到零,电压在缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零,解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零,电流在缓慢上升到通态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容的电压亦为零,解决了容性开通问题。同时,开通时,二极管反向恢复过程已经结束,因此二极管方向恢复问题不存在。

硬开关的缺点如下:

  • (1)开通和关断过程损耗比较大;
  • (2)感性关断问题:当电路中有感性器件时,开关器件关断时,会感应出很高的电压尖峰,极易损坏开关器件;
  • (3)容性开通问题:当开关器件在高压下开通时,开关器件结电容中的能量将全部消耗在该器件上,从而易使该开关器件因为过热而损坏;
  • (4)二极管反向恢复问题:二极管由导通变为截止时,有一个反向恢复时间,在此时间内,二极管仍处于导通关态,若立即开通与其串联的开关器件,会产生很大的冲击电流,易损坏该开关器件。由于硬开关存在以上缺点,限制了开关器件工作频率的提高,在软开关技术出来之前,功率开关器件的开关损耗是很大的。为了弥补硬开关工作的不足,提出了软开关技术。

软开关技术的原理

所谓“软开关”是与“硬开关”相对应的。硬开关是指在功率开关的开通和关断过程中,电压和电流的变化比较大,产生开关损耗和噪声也较大,开关损耗随着开关频率的提高而增加,导致电路效率下降;开关噪声给电路带来严重的电磁干扰,影响自身及周边电子设备的正常工作。

软开关是在硬开关电路的基础上,加入电感、电容等谐振器件,在开关转换过程中引入谐振过程,开关在其两端的电压为零时导通;或使流过开关器件的电流为零时关断,使开关条件得以改善,降低硬开关的开关损耗和开关噪声,从而提高了电路的效率。

软开关包括软开通和软关断两个过程:

  • 理想的软开通过程是:开关器件两端的电压先下降到零后,电流再缓慢上升到通态值,所以开通时不会产生损耗和噪声,软开通的开关称之为零电压开关。
  • 理想的软关断过程是:开关器件两端的电流先下降到零后,电压再缓慢上升到通态值,所以关断时不会产生损耗和噪声,软关断的开关称之为零电流开关。

功率开关管的软开关理想波形和硬开关波形如图所示,由图可以看出,在硬开关状态下,功率开关管两端的电压、电流有明显的交叠区,在此交叠区内产生开关损耗;而在软开关状态下,功率开关管两端的电压、电流几乎没有交叠区,所以也就不会产生开关损耗。

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