開關(guān)電源就是選用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，操控開元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的構(gòu)成框圖如圖1所示，它由輸入電路、變換電路、輸出電路和操控電路等組成。功率變換是其中心部分，主要由開關(guān)電路和變壓器組成。為了滿意高功率密度的要求，變換器需要工作在高頻狀況，開關(guān)晶體管要選用開關(guān)速度高、導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短的晶體臂，最典型的功率開關(guān)晶體管有功率晶體管（CTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（(MOSFET）和絕緣型雙極型晶體管（IGBT）等3種。操控方法分為脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制、脈寬和頻率混合調(diào)制等3種，其中最常用的是脈寬調(diào)制（PWM）方法。
從60時(shí)代開始得到發(fā)展和應(yīng)用的 DC一DC PWM 功率變換技能是一種硬開關(guān)技能。為了使開關(guān)電源在高頻狀態(tài)下也能高效率地運(yùn)行，國內(nèi)外電力電子界和電源技能界自70時(shí)代以來，不斷研討發(fā)展高頻軟開關(guān)。軟開關(guān)和硬開關(guān)波形比較如圖2所示。
從圖能夠看出，軟開關(guān)的特點(diǎn)是功率器材在零電壓條件下導(dǎo)通（或關(guān)斷)，在零電流條件下關(guān)斷（或?qū)ǎＥc硬開關(guān)相比，軟開關(guān)的功率器材在零電壓、零電流條件下工作，功率器材開關(guān)損耗小。與此同時(shí)，du/dt和di/dt大為下降，所以它能消除相應(yīng)的電磁攪擾（EMI）和射頻攪擾（RFI) ,進(jìn)步了變換器的可靠性。同時(shí)，為了減小變換器的體積和分量，有必要完成高頻化。要進(jìn)步開關(guān)頻率，同時(shí)進(jìn)步變換器的變換功率，就有必要減小開關(guān)損耗。減小開關(guān)損耗的途徑就是完成開關(guān)管的軟開關(guān)，因此軟開關(guān)技能軟開關(guān)技能已經(jīng)成為是開關(guān)變換技能的一個(gè)重要的研究方向。本文對(duì)軟開關(guān)和硬開關(guān)的工作特性進(jìn)行比較，并對(duì)軟開關(guān)技能進(jìn)行了具體論述。
硬開關(guān)的工作特性
圖3是開關(guān)管開關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。開關(guān)管不是抱負(fù)器材，因此在開關(guān)管開關(guān)工作時(shí)，要產(chǎn)生注冊(cè)損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗(SwitchingLoss)。開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器的功率就越低。開關(guān)損耗的存在約束了變換器開關(guān)頻率的進(jìn)步，從而約束了變換器的小型化和輕量化。
傳統(tǒng)PWM變換器中的開關(guān)器材作業(yè)在硬開關(guān)狀況，硬開關(guān)作業(yè)的四大缺陷妨礙了開關(guān)器材作業(yè)頻率的進(jìn)步,它存在如下問題:
(a)注冊(cè)和關(guān)斷損耗大:在注冊(cè)時(shí)，開關(guān)器材的電流上升和電壓下降一起進(jìn)行:關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降一起進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊致使器材的注冊(cè)損耗和關(guān)斷損耗隨開關(guān)頻率的進(jìn)步而添加。
(b）理性關(guān)斷問題:電路中不免存在理性元件（引線電感、變壓器漏感等寄生電感或?qū)嶓w電感)、當(dāng)開關(guān)器材關(guān)斷時(shí)，因?yàn)橥ㄟ^該理性元件的di / dt很大，和 dv / dt，從而發(fā)生大的電磁千擾（Electromagnetic Interference,EMI）,并且發(fā)生的尖峰電壓加在開關(guān)器材兩頭，易造成電壓擊穿。
(c）容性注冊(cè)問題:當(dāng)開關(guān)器材在很高的電壓下注冊(cè)時(shí)，儲(chǔ)藏在開關(guān)器材結(jié)電容中的能量將悉數(shù)耗散在該開關(guān)器材內(nèi)，引起開關(guān)器材過熱損壞。
(d）二極管反向恢復(fù)問題:二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在著反向恢復(fù)期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀況，若當(dāng)即注冊(cè)與其串聯(lián)的開關(guān)器材，簡單造成直流電源瞬間短路，發(fā)生很大的沖擊電流，輕則引起該開關(guān)器材和二極管耗急劇添加，重則致其損壞。圖4給出了接理性負(fù)載時(shí)，開關(guān)管作業(yè)在硬開關(guān)條件下的開關(guān)的開關(guān)軌道，圖中虛線為雙極性晶體管的安全作業(yè)區(qū)(Safetyoperation area，SOA)，如果不改進(jìn)開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌道很可能會(huì)超出安全作業(yè)區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。
軟開關(guān)技術(shù)的特性和實(shí)現(xiàn)策略
從前面的分析可以知道，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗。利用軟開關(guān)技術(shù)可以減小變換器的開通損耗和關(guān)斷。軟開關(guān)的開通和關(guān)斷波形如圖5所示。
