1.课题的背景与意义

开关器件工作频率越高，其尺寸越小，传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关是开关上的电压和电流不为零时的一种突变的强迫开关过程，在开关管工作时要产生开关损耗^[1][10]。处于通态或断态时消耗的功率较小，在开关转台转换过程中，消耗的功率很大。当开关频率越大，总开关损害也就越大，导致变换器效率的降低。硬开关状态下损耗大的缺陷限制了变换器开关频率的升高，从而限制了变换器向减小体积，减小重量和提高动态性能等趋势的发展^[21-22]。在开关状态转换过程中，电压电流的变化很快，即产生较大的dv/dt和di/dt，这将会使波形产生明显的振荡以及较强的开关噪声，从而导致电路出现严重的电磁干扰，给实验环境带来不利因素^[18]。

为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化，同时增强变换器的抗干扰能力，就要减小开关损耗，发展软开关技术。

理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，此时开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零。软开关技术能很好地解决硬开关的开关损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复问题口^[4]。

直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电源，其输入为直流电，也可以是交流电。直流开关电源部分或全部具有以下特征：(1)、电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；(2)、输入与输出间有好的电气隔离；(3)、可以输出单路或多路电压，各种之间有电气隔离。

降压式(Buck)变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck变换器有两种基本工作方式，即电感电流连续模式(Continuous current mode,CCM)和电感电流断续模式(DisContinuous current mode,DCM)工作方式。电感电流连续式指输出滤波电感的电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间的电流为零。在这两种工作方式有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，电感的电流刚好降为零^[1]。

2.课题的国内外研究现状的介绍以及应用

几十年来，国内外已研究开发并得到应用的各种高频团开关技术类型，如下表

20世纪末，软开关技术已在国内外广泛应用。例如

(1)广州地铁的ATC系列智能高频开关电源充电模块，就是采用了移相全桥零电压脉宽控制软开关技术，开关管为零电压、零电流开关，具有理想的软开关特性。与硬开关相比，软开关充电模块的开关损耗降低40%了，整机效率提高到94%，由于电压变化率及电流变化率的减小，提高了电磁兼容性能；

(2)美国ETM公司开发的LCC谐振式ZCS开关电源，为行波管配套，输出11kV/1.5kW，开关频率100kHz，效率92%；

(3)美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）％；

(4)日本Lambda公司采用有源钳位ZVS-PWM Fly-forward转换器及同步整流技术，可以使DC-DC转换器模块效率达90%；

(5)日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。

3.Buck型DC-DC变换器软开关技术设计的发展

在国外，Chien-ming Wang提出了一种新型的功率因数校正器。这种功率因数校正器采用传统的脉宽调制，软换相技术及瞬时平均线电流控制方法。他设计了一种新的零电压开关脉宽调制(ZVS-PWM)辅助电路，可实现主开关和辅助开关的零电压开关，辅助开关实现零电流开关，其主开关软换相时电流应力小，传输损耗小^[16]。

H.Ogiwara, M.Itoi和M.Nakaoka设计出一种新型的单端推挽式软开关高频逆变器，该逆变器应用于高频感应加热装置。这一新模型是在传统电路的基础上加上谐振电路。这样可实现软开关并且在对称的PWM辅助电路下能在大范围内连续调节输出功率，其工作频率固定为20kHz，用在家用加热电气中具有很好的安全性和高效性^[23]。

国内杨柳，陈志颖以结合开关原理为基础，提出了一种可以建立软开关PWM变换器的系统方法。停用这种方法，许多种无源和有源软开关PWM变换器家族中所派生的变换器，如：Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器都能通过Buck变换器和Boost变换器得到^[15]。

刘宇航，潘庭龙提出看ZVT-Boost软开关变换器双闭环控制及其PLECS仿真。电路内环用于电流控制，外环用于电压控制，采用临界灵敏度方法设计了控制器参数，并分析了软开关的工作过程。基于分段线性电子电路仿真软件建立了ZVT-Boost软开关变换器的仿真模型。仿真结果表明了双闭环控制的有效性，为进一步软开关技术提供可新思路^[14]。

开关电源发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。开关电源轻、小、薄关键技术是高频化。模块化是开关电源发展总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N 1冗余电源系统，并实现并联方式容量扩展。

新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍。在开关频率接近甚至超过1MHz、对效率要求又很高的场合，曾经被遗忘的谐振电路又重新得到应用，并且表现出很好的性能。采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串联构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势。在不少应用场合，组合电路的性能比单一电路显著提高^[2]。

4.参考文献

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[2] 黄俊, 王兆安.电力电子技术. 第四版. 机械工业出版社, 2004: 23～36

[3] Wu Tsai Fu, Liang Shih-An, Chen Yu-Kai. A Structure Approach to Synthesizing Soft Switching PWM Converters. IEEE Trans. On Power Electro, 2013, 18(1):38～43.

[4] 王星云, 王平. 软开关技术发展现状的研究. 装备制造技术, 2008, (10): 102～103.

[5] Lin Zhou bu. A Passive Regenerative Soft Switching Converter With The Simplest Topology. Power Electronics Specialists Conference. 2002 IEEE 33rd Annual, 2002, Volume2: 949～954.

[6] 孙慧贤, 王群, 杨卫新. 改进型ZVT-PWM Buck变换器的仿真分析. 电气开关, 2004, (06): 66～69.

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[9] 林茂. 软开关三电平脉宽调制降压型直流变换器的研究. 重庆大学, 2010～05.

[10] 刘凤君著. 现代高频开关电源技术及应用. 电子工业出版社, 2008: 163～215.

[11] 贾贵玺, 张春燕, 肖有文, 赵惠超. 新型Buck软开关电路的设计与仿真. 电工技术学报, 2012, 02(27).

[12] 景中炤, 黄熙, 郑琰, 靳巍, 郭峰.一种双相结构的同步Buck DC/DC变换器. 电力自动化设备, 2010, 30(2)：113～117.

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[19] 陈刚. 软开关双向DC-DC 变换器的研究[D]. 杭州: 浙江大学电气学院, 2001.

[20] 邱涛, 陈林康, 李长兵. DC/DC功率变换器软开关技术及PSpice仿真[J]. 电子设计应用, 2005(11): 116～119.

[21] 杨德刚, 赵良炳. 软开关技术回顾与展望. 电力电子技术, 1998, (2): 96～101.

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[24] C.M.Wang, H.J.Chiu, D.R.Chen. Novel zero-current-switching (ZCS) PWM converters. IEEE Proc. Electr. Power, 2005: 407～415.

1.课题的背景与意义

开关器件工作频率越高，其尺寸越小，传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关是开关上的电压和电流不为零时的一种突变的强迫开关过程，在开关管工作时要产生开关损耗^[1][10]。处于通态或断态时消耗的功率较小，在开关转台转换过程中，消耗的功率很大。当开关频率越大，总开关损害也就越大，导致变换器效率的降低。硬开关状态下损耗大的缺陷限制了变换器开关频率的升高，从而限制了变换器向减小体积，减小重量和提高动态性能等趋势的发展^[21-22]。在开关状态转换过程中，电压电流的变化很快，即产生较大的dv/dt和di/dt，这将会使波形产生明显的振荡以及较强的开关噪声，从而导致电路出现严重的电磁干扰，给实验环境带来不利因素^[18]。

为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化，同时增强变换器的抗干扰能力，就要减小开关损耗，发展软开关技术。

理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，此时开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零。软开关技术能很好地解决硬开关的开关损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复问题口^[4]。

直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电源，其输入为直流电，也可以是交流电。直流开关电源部分或全部具有以下特征：(1)、电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；(2)、输入与输出间有好的电气隔离；(3)、可以输出单路或多路电压，各种之间有电气隔离。

降压式(Buck)变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck变换器有两种基本工作方式，即电感电流连续模式(Continuous current mode,CCM)和电感电流断续模式(DisContinuous current mode,DCM)工作方式。电感电流连续式指输出滤波电感的电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间的电流为零。在这两种工作方式有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，电感的电流刚好降为零^[1]。

2.课题的国内外研究现状的介绍以及应用

几十年来，国内外已研究开发并得到应用的各种高频团开关技术类型，如下表