软开关技术 | 硬件学习笔记

22.3 软开关技术

回到刚才的结论：并联谐振能升压，串联谐振只能降压。这听起来像是两条平行线，永远没有交点。

但在真正的工程世界里，事情往往不是非黑即白的。我们在这一章要解决的，其实不是电压变比的问题——那个可以用变压器解决——而是「损耗」的问题。

想象一下，你在推一个巨大的转盘。如果你在它转速最快的时候伸手去拦，你的手掌会被烧伤；但如果你等它停下来，或者甚至在它快要倒转的那一瞬间轻轻扶一下，你几乎感觉不到阻力。

功率开关管（MOSFET 或 IGBT）面临的就是同样的困境。在传统的硬开关里，开关管必须在电压很高的时候强行把电流拉起来（开通），或者在电流很大的时候强行把电压顶上去（关断）。这每一瞬间，都是数千瓦功率瞬间化作热量消失在空气中。

我们能不能做得更聪明一点？当然可以。这就是这一节的主题——软开关。

这个概念其实非常反直觉：我们不再试图「控制」开关的瞬间，而是利用电路自身的惯性（谐振），让电压或电流自然地滑过零点。我们在那个零点轻轻扳动开关，就像是趁着转盘停顿的间隙转动它。

这一节我们要把镜头拉近，看清楚开关管在微观层面的动作。你会发现，仅仅改变开关频率相对于谐振频率的位置——从低于谐振变成高于谐振——整个电路的性格会发生 180 度的大转弯。

22.3.1 谐振之下：零电流开关（ZCS）

首先，我们让全桥开关网络工作在低于谐振频率的频段。

还记得我们在分析串联谐振变换器时提到的那个结论吗？当开关频率 $f_{s}$ 低于谐振频率 $f_{0}$ 时，槽路阻抗 $Z_{i} (s)$ 呈现容性。

这意味着什么？

这意味着槽路电流 $i_{s} (t)$ 的相位会超前于电压 $v_{s} (t)$ 。

超前这个词有点抽象。在串联谐振变换器里，当它工作在谐振频率以下时，波形会呈现出下面这种节奏：

    vs(t) vs1(t)
Vg ───────┐ ┌──────────
          └─┘
          tβ
          └────────> t
          Ts/2
 i_s(t)     ┌───┐
      ┌─────┘   └───┐
      │             │
      └─┐         ┌─┘
        └─────────┘

你会发现一个关键的事实：电流的过零点，比电压的过零点来得更早。

这就是零电流开关（ZCS）的物理基础。

导通序列的秘密

让我们把 0 到 $T_{s} / 2$ 这半个周期像切香肠一样切开，看看到底发生了什么。此时 $v_{s} (t) = + V_{g}$ 。

0 < t < tβ：电流 $i_{s} (t) > 0$ 。电流从桥臂流向槽路。这时候是谁在导通？是开关管 Q1 和 Q4。电压 $V_{g}$ 加在 Q1 和 Q4 上，电流流过它们的沟道。
tβ < t < Ts/2：电流 $i_{s} (t) < 0$ 。等一下，电流反向了？但这半周期电压还没变啊。没错，因为槽路在振荡。既然电流要往回流，它就需要另一条路。这时候，反并联二极管 D1 和 D4 接管了赛道。电流通过 D1 和 D4 续流。

这就是 ZCS 最精妙的地方。

请注意那个瞬间 $t β$ 。

在 $t β$ 时刻，电流从正变负，正好过零。就在这一刻，或者这一刻之后的任何时间，只要 Q1 和 Q4 还在导通，你可以把 Q1 和 Q4 关断。

它们关断时，电流已经接近于零。这意味着什么？这意味着没有 $I \times V$ 的瞬时功率尖峰。这意味着关断损耗几乎为零。

你可以慢慢地、悠闲地关断 MOSFET，甚至可以在这里用 SCR（可控硅）这种只能靠电流过零来关掉的器件——因为电路本身已经帮你把电流拉到零了。

梦魇：开通的瞬间

既然关断这么爽，是不是 ZCS 就是完美方案了？

慢着。让我们看看开关管 Q1 的电压电流波形。

      v_ds1(t)
Vg ──────────────
           ┌─────┘
           │
           └────> t

      i_ds(t)
     │╱╲    │
     │  ╲   │
     │   ╲  │
  0  ───────┘
     tβ      Ts/2

在 $t = 0$ 的时刻，也就是开通（Turn-on） 的瞬间，发生了什么？这时候 $v_{d s 1} = V_{g}$ （高压），而电流 $i_{d s}$ 必须从 0 开始上升。

这跟硬开关有什么区别？没区别。甚至更糟。

因为在这一刻，对角的二极管 D2 必须关断（D2 正在续流）。 Q1 硬开通时，D2 会经历一个痛苦的「反向恢复」过程。D2 会瞬间像短路一样涌出一股反向电流，这股电流直接流过 Q1。 $V_{g}$ 依然还在 Q1 身上压着，电流却瞬间暴增。

砰。这就是损耗。

这也是 ZCS 在现代 MOSFET 电路里不太受欢迎的原因：它解决了关断的痛，却把最严重的痛——开通损耗和二极管反向恢复——留给了你。

22.3.2 谐振之上：零电压开关（ZVS）

如果我们反过来做呢？

如果我们把开关频率推高到谐振频率以上？

这时候，槽路电感的阻抗开始占上风，槽路呈现感性。电流 $i_{s} (t)$ 会滞后于电压 $v_{s} (t)$ 。

这个微小的「滞后」，彻底改变了一切。

一旦工作在谐振频率以上，波形会变成下面这种节奏：

    vs(t) vs1(t)
Vg ───────┐ ┌──────────
          └─┘
          tα
          └────────> t
          Ts/2
 i_s(t)        ┌───┐
          ┌────┘   └───┐
          │             │
          │         ┌─┐
          └─────────┘ └───

注意看，电压 $v_{s} (t)$ 先到零点，电流 $i_{s} (t)$ 还在负值区晃悠。

同样切开 0 到 $T_{s} / 2$ 这半个周期（此时 $v_{s} (t) = + V_{g}$ ）：

0 < t < tα：电流 $i_{s} (t) < 0$ 。电压已经是 $+ V_{g}$ 了，但电流还是负的？是的。这说明电流还在往回流。谁在导通？反并联二极管 D1 和 D4。这时候，Q1 虽然还没导通，但它的源极-漏极电压已经被 D1 钳位在 0 左右（忽略了二极管压降）。
tα < t < Ts/2：电流 $i_{s} (t) > 0$ 。终于，电流过零并变正了。这时候我们让 Q1 和 Q4 开通。

你看到了吗？

开通的瞬间（tα），电压已经在 0 了！

因为 D1 正在导通，Q1 两端的电压 $v_{d s 1}$ 几乎是 0。你在 0 电压下打开开关。没有 $V \times I$ 尖峰。更重要的是，对角的二极管 D2 并没有在开通瞬间经历反向恢复，因为 D2 早就截止了（电压翻转时 D2 就截止了）。

这就是 零电压开关（ZVS）。

它完美地解决了 MOSFET 最头疼的问题：容性开通损耗和二极管反向恢复。在 ZVS 下，你甚至不需要昂贵的超快恢复二极管，MOSFET 自带的体二极管就能凑合着用，因为它是在很温和的条件下切换的。

还有一件事：关断

ZCS 里关断是爽的，开通是惨的。 ZVS 里开通是爽的，那关断呢？

在 $T_{s} / 2$ 时刻，我们需要关断 Q1。这时候，电流还在流，电压马上要跳变。这看起来又是一个硬开关场景。

特别是对于 IGBT 这种关断有「拖尾电流」的器件，这个关断瞬间会产生不小的损耗。

怎么解决？

这里有一个工程上的神来之笔：桥臂电容（Leg Capacitors）。

我们不需要额外加很贵的电容。现代 MOSFET 自己的 $C_{o s s}$ （输出电容）就已经够大了。

我们在每个开关管旁边画了一个小电容 $C_{l e g}$ （实际上就是利用 MOSFET 的 $C_{d s}$ ）。

当我们在 $T_{s} / 2$ 时刻关断 Q1 时，我们在驱动信号上故意留一个小空隙（Deadtime），让 Q1, Q2, Q3, Q4 都短暂地关断。

这时候，电流 $i_{s} (T_{s} / 2)$ 正在流向 Q1。既然 Q1 关断了，电流去哪？它冲进了 $C_{l e g}$ ！

电流给电容充电，Q1 两端的电压 $v_{d s 1}$ 开始缓缓上升（因为是电容，电压不能突变）。 Q1 的电压还在 0 附近晃悠的时候，Q1 的沟道已经切断了。等电压升到 $V_{g}$ 的时候，对面的二极管 D2 自然导通，接管电流。

结果是什么？ Q1 是在电压为 0（或者极低）的时候完全关断的。能量没有变成热，而是被「搬运」到了电容里，然后又回到了槽路里。

这就是为什么现在的谐振变换器（比如 LLC）都拼命往 ZVS 上靠。它让 MOSFET 工作在一种「软着陆」的状态：来是 0 电压，走也是 0 电压。

最后的礼物：EMI 的消失

如果你用过示波器抓过硬开关的波形，你会看到那种令人心惊肉跳的高频振荡。那是半导体结电容和电路寄生电感在「打架」。

但在 ZVS 里，这一切都消失了。

因为我们在电压为 0 的时候切换开关，电容上的电压变化率被大大限制了。没有急剧的 $d v / d t$ ，就没有寄生振荡。整个变换器的 EMI（电磁干扰）特性会好得惊人，有时候甚至不需要复杂的滤波电路就能通过认证。

这里的认知升级

回扣一下本节开头的问题：为什么我们要折腾谐振？

不是为了那个玄之又玄的正弦波，也不是为了那一升一降的电压转换比。 本质上，我们是在重塑开关的边界条件。

谐振之下（ZCS）：电流强迫电压让路。我们把电流变成了 0，换取了无损关断。
谐振之上（ZVS）：电压强迫电流让路。我们把电压变成了 0，换取了无损开通。

而在 MOSFET 占统治地位的今天，开通损耗和二极管反向恢复是最大的杀手。所以，几乎所有的高性能谐振变换器，都在拼命工作在谐振频率以上，死死咬住 ZVS 这根稻草。

这就是为什么你在下一节看到的 LLC 变换器，其核心控制逻辑永远是：确保在任何负载下，尤其是在最轻的负载下，都能维持 ZVS。

踩坑提醒：死区时间（deadtime）不是越长越好。我见过有人为了「保险」把死区拉到 500ns，结果轻载下槽路环流不够， $C_{o s s}$ 没放完电对面就开通了，硬生生把 ZVS 拖回硬开关；也有人压到 50ns，重载下直接桥臂直通炸管。死区要按「最坏工况下刚好够抽完 $C_{o s s}$ 电荷」来定，公式 $Δ t \approx \frac{2 C_{o s s} V_{i n}}{I_{m a g}}$ 是起点，留 1.5~2 倍余量，再用示波器看 $v_{d s}$ 谷底实调。

参考说明：参考自 geqianQWQ 同学阅读《Fundamentals of Power Electronics》的笔记，仅作理解线索；本文为结合自己理解重新整理的学习笔记，不涉及对原书的复制或翻译。

22.3 软开关技术 ​

22.3.1 谐振之下：零电流开关（ZCS） ​

导通序列的秘密 ​

梦魇：开通的瞬间 ​

22.3.2 谐振之上：零电压开关（ZVS） ​

还有一件事：关断 ​

最后的礼物：EMI 的消失 ​

这里的认知升级 ​