PWM 变换器中的软开关技术

23.4 PWM 变换器中的软开关技术

上一节我们聊了聊准方波（QSW）变换器。它的特点很鲜明：实现了零电压开关（ZVS），电压应力也不高，波形看起来跟普通 PWM 差不多，但代价是电感电流会反向流动，导致导通损耗增加，而且控制逻辑变复杂了。

既然准方波这条路有点坎坷，工程师们就开始想别的招。有没有一种办法，能像普通 PWM 那样简单粗暴、应力低，同时又能在开关切换的那一瞬间享受软开关的待遇？

这一节我们来看几种在 PWM 变换器里混入软开关技术的实用方案。它们不再是像上一节那样彻底重构开关网络，而是在经典拓扑（全桥、正激、反激、逆变器）上做「微创手术」。

23.4.1 零电压过渡（ZVT）全桥变换器

移相控制，这个在全桥 DC-DC 领域几乎成了标准答案的技术，本质上就是一种软开关方案。它的学名很学术——Zero-Voltage Transition (ZVT) Full-Bridge Converter。

这里的核心戏法

全桥隔离降压变换器本身是硬开关的。要让软开关介入，我们需要一个「搬运工」——串联在变压器原边侧的换向电感（Commutating Inductor, $L_{c}$ ）。

这个 $L_{c}$ 包含了变压器的漏感，有时候还外加一个小电感。它的作用是让全桥开关网络看起来像是接在了一个「感性负载」上。这意味着，开关网络输出的电流 $i_{c} (t)$ 在相位上会滞后于电压 $v_{s} (t)$ 。

这有什么用？还记得我们在讲二极管软开关时反复强调的那一点吗？如果电流滞后，电流过零的时刻就会晚于电压过零的时刻。这给了电压一个「先降下来」的机会——当我们要去关断或者开通开关管时，如果因为相位差的存在，电压已经提前通过谐振降到了零，那我们就实现了零电压开关。

移相控制（Phase-Shift Control）

这种变换器的控制方式不是调节占空比 $D$ ，而是调节相位差（Phase Shift, $ϕ$ ）。

左右两个半桥都各自以 50% 的占空比工作（像脑筋急转弯一样，你是左脚，右脚，左脚...）。
两个半桥之间错开了一个相位角 $ϕ$ 。

正是这个错开的时间差，决定了传递给副边的能量有多少。

在这个体系下，移相角 $ϕ$ 扮演了传统 PWM 中占空比 $D$ 的角色。如果你忽略掉那些极短的开关转换瞬间，输出电压和输入电压的转换比 $M (ϕ)$ 非常简单：

M (ϕ) = \frac{V}{V_{g}} = n ϕ

这里的 $n$ 是变压器匝比。是不是简单得令人发指？

这里的不对称性

虽然电路图画起来是对称的，但在移相控制下，两个半桥的命运截然不同。这也是初学者最容易晕的地方。

我们来看一个完整的开关周期，这里的剧情有点绕，请跟上：

被动到主动：这就是所谓的「P-A 转换」。这就好比你原本在休息（被动），突然要被叫起来干活（主动）。在电路里，这意味着原本不传递能量的那个半桥，要开始接管能量传输了。这个切换过程是利用 $L_{c}$ 里存储的能量来对结电容充放电实现的。如果 $L_{c}$ 里的电流够大（也就是负载够重，或者有磁化电流帮忙），它就能强行把桥臂中点的电压从 $0$ 拉到 $V_{g}$ （或者反过来）。一旦电压拉到了 $V_{g}$ ，对应的反向二极管就导通了，钳位住了电压。这时候，你再去开通对应的 MOSFET——零电压开通！ 水到渠成。
主动到被动：这就是所谓的「A-P 转换」。这就好比你原本在干活，现在要把活儿交出去，自己去休息。这个切换通常更顺利。因为能量正在往外传，电流方向很明确。利用这个正在流动的电流，自然就能把另一个半桥的电压拉下来。所以，A-P 转换通常在全负载范围内都能轻松实现 ZVS。而 P-A 转换，则可能因为轻载时电流不够，出现 ZVS 失效。

实战中的坑

这里有个非常经典的坑，也是实战调试中经常让人抓头皮的地方。

问题：轻载时 ZVS 失效。在 P-A 转换（Subinterval 1）期间，我们需要 $L_{c}$ 里的电流足够大，才能把 $C_{l e g}$ 的电压充到 $V_{g}$ 。如果是轻载，反射到原边的电流 $n I$ 很小，能量不够，电压就拉不上去，结果就是——硬开关，炸机（或者效率剧降）。

解决：利用磁化电流（ $i_{M}$ ）。设计变压器时，故意让磁化电流 $i_{M}$ 大一点。在 $t_{0}$ 时刻，原边电流其实是 $i_{c} = - n I + i_{M}$ 。虽然 $n I$ 很小，但如果我们有一个不小的负向 $i_{M}$ ，总能量 $\frac{1}{2} L_{c} i_{c}^{2}$ 就足够把电容充满。这也是为什么很多 ZVT 移相全桥的设计中，磁化电感不能做得太大的原因。

副边的倒霉蛋

虽然原边开关管享受了 ZVS 的滋润，但副边的整流二极管却遭了殃。在 Subinterval 3 结束时，二极管 $D_{6}$ 关断。这时候，它不仅要承受反向电压 $2 n V_{g}$ ，还要面对原边 $L_{c}$ 和二极管寄生电容组成的谐振电路产生的振铃。结果是：二极管上的电压尖峰通常会远高于 $2 n V_{g}$ 。这就是为什么你看到的商用电源板上，副边往往会并联一大堆 RCD 吸收电路，甚至用钳位电路来保护二极管。这就是软开关带来的代价转移。

总结一下 ZVT 全桥

优点：原边 ZVS，EMI 低，效率高，移相控制成熟。
代价：导通损耗略有增加（因为有环流），副边二极管电压应力大（需要缓冲器），轻载时 ZVS 可能丢失（除非优化设计）。

23.4.2 辅助开关法：有源钳位

除了全桥，正激和反激这种单管拓扑也能玩软开关。这里的主角是——有源钳位。

电路形态

来看这个电路。你在原本的主开关管 $Q_{1}$ 旁边并联了一个「小弟」——辅助开关 $Q_{2}$ 和电容 $C_{s}$ 。这看起来像是个 RCD 吸收电路，但请注意：没有电阻！ 因为没有电阻，它就不会像传统缓冲器那样把能量变成热量扔掉。相反， $Q_{2}$ 是个双向开关，它能把存在 $C_{s}$ 里的能量吐回电源里。

为什么它能软开关？

这个电路的工作模式跟 ZVT 全桥如出一辙（其实更像双管 QSW-ZVS）。当主开关 $Q_{1}$ 关断后，漏感能量给 $C_{d s}$ 充电，电压上升。此时，辅助开关 $Q_{2}$ 的体二极管导通，把能量存在 $C_{s}$ 里。在下半个周期，当 $Q_{1}$ 要再次开通前， $Q_{2}$ 先关断。 $C_{s}$ 里的能量通过谐振把 $Q_{1}$ 的 $C_{d s}$ 电荷抽走。

当 $v_{d s}$ 降到零时， $Q_{1}$ 的体二极管导通。这时候给 $Q_{1}$ 发开通信号——ZVS 达成。

额外的惊喜：变压器复位

对于正激变换器来说，有源钳位简直是神器。它不仅实现了软开关，还顺带解决了正激变换器最头疼的问题——磁复位。因为有钳位电压 $v_{s}$ 的存在，磁化电流可以在每个周期内可靠地回零。这意味着什么？意味着你的占空比 $D$ 可以突破 50% 的限制！如果你的输入电压范围很宽（比如 12V 到 72V），允许占空比超过 50% 意味着你可以用更低的匝比，从而降低开关管的电压应力。这简直是开挂。

23.4.3 辅助谐振换相极（ARCP）

最后，我们看一个在逆变器领域非常有名的拓扑——ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole)。这种技术主要用于电机驱动、三相逆变器等 DC-AC 场景。

核心痛点：二极管的反向恢复

在电压型逆变器里，桥臂换相时，二极管 $D_{1}$ 或 $D_{2}$ 的反向恢复损耗是效率的大敌。ARCP 的目标就是消除这个损耗。

电路架构

主桥臂： $Q_{1}, Q_{2}, D_{1}, D_{2}$ ，负责传输负载电流 $i_{a}$ 。
辅助开关： $Q_{3}, Q_{4}, D_{3}, D_{4}$ ，这是专门为了软开关加进去的「VIP 通道」。
谐振电感： $L_{r}$ ，很小的电感，辅助 $C_{d s}$ 进行谐振。

它是怎么干的？

来看换相过程。假设负载电流 $i_{a}$ 是正的，电流原本流过下管的二极管 $D_{2}$ 。现在我们要把电流切换到上管 $Q_{1}$ 。

主动出击：我们不想直接硬开 $Q_{1}$ ，那样会撞上 $D_{2}$ 的反向恢复。我们先开启辅助开关 $Q_{3}$ （ $Q_{4}$ 也可以配合）。这时候，谐振电感 $L_{r}$ 被注入电流。这个辅助电流 $i_{r}$ 开始上升，它叠加在负载电流 $i_{a}$ 上。
制造零电压窗口：当辅助电流 $i_{r}$ 足够大时（也就是人为额外注入的 Boost 电流 $i_{b o o s t}$ ），我们关断正在导通的主开关（或者说是二极管 $D_{2}$ 侧的对应动作）。利用这个较大的电流，我们强迫桥臂中点的电压通过谐振从 0 摆动到 $V_{g}$ 。一旦电压摆过去， $D_{1}$ 就导通了。此时 $Q_{1}$ 顺势开通——ZVS 达成。
撤退：辅助电路的任务完成了，辅助开关关断，谐振电感里的能量被回收。

为什么这很重要？

ARCP 解决了硬开关逆变器最痛的点：它让二极管不再经历惨烈的反向恢复，也让开关管不再承受高压开通。虽然加了一堆辅助管子，但在大功率、高性能的电机驱动里，这点成本换来的效率提升是非常值得的。

这一节我们看到了 PWM 变换器如何通过「辅助」手段进化。

全桥用移相控制和漏感实现了 ZVS。
正激/反激用有源钳位实现了 ZVS 和磁复位。
逆变器用 ARCP 实现了无损换相。

这些方案的共同点是：都不再依赖单纯的 LC 谐振来传输能量，而是保留了 PWM 的主传输路径，只在开关动作的瞬间引入谐振。这种思想，是对传统 PWM 的一种极具工程智慧的修补。

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。

23.4 PWM 变换器中的软开关技术 ​

23.4.1 零电压过渡（ZVT）全桥变换器 ​

这里的核心戏法 ​

移相控制（Phase-Shift Control） ​

这里的不对称性 ​

实战中的坑 ​

副边的倒霉蛋 ​

总结一下 ZVT 全桥 ​

23.4.2 辅助开关法：有源钳位 ​

电路形态 ​

为什么它能软开关？ ​

额外的惊喜：变压器复位 ​

23.4.3 辅助谐振换相极（ARCP） ​

核心痛点：二极管的反向恢复 ​

电路架构 ​

它是怎么干的？ ​

为什么这很重要？ ​