一、课题研究背景及意义

近年来，随着生产技术的发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面，例如电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因而作为电力电子技术研究基础之一的功率变换技术，有着广阔的应用前景。如今电力电子技术高频化的发展趋势虽然可以有效地降低功率变换器的体积和重量，但是开关损耗会随之增加，以至电路效率下降，电磁干扰增大，因此减小功率开关器件的开关损耗收到国内外的广泛关注。随着软开关技术的出现，主要解决了电路中的开关损耗和开关噪声的问题，使开关频率得以大幅提高。自此软开关技术的研究成为电力电子学领域最活跃的研究方向之一^[1]。

软开关技术可以实现变换器中功率开关器件的零电压开关或零电流开关，克服了常规脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM）型功率开关器件的开关损耗随开关频率成正比的缺点，使功率器件的开关频率提高了一个数量级甚至更多。同时在软开关方式中，功率开关器件开通前电压下降到零，线路电感中电流也为零，从而解决了感性关断问题。另外，软开关工作方式使硬开关电路中的缓冲电路成为多余，减小了变换器的电磁干扰(Electro Magnetic Interference, EMI)，减小了功率开关器件的散热体积，使功率开关器件科可工作在更高的温度上，提高了变换器工作的可靠性与效率^[2]。

二、 发展趋势

根据开关器件的工作状态，可以把开关分为硬开关和软开关。硬开关是指开关上的电压和电流都不为零时的一种强迫性的突变开关过程，即强迫开关器件在电压不为零时开通，火电流不为零时关断。由于开关管是非理想元件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是由零立即上升到负载电流，而是有一个上升时间。在这段时间里，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗即为开通损耗(Turn-on Loss)。当开关管关断时，开关管的电压不是由零立即上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，而是有一个下降时间。在这段时间里，开关管的电压和电流也有一个交叠区，也会产生损耗，这个损耗即位关断损耗(Turn-off Loss)。在开关管开关工作时产生的开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗(Switching Loss)^{[3, 4]}。

在一定条件下，由硬开关技术产生的变换器总开关损耗随开关频率的提高成正比例增加。开关频率越高，则开关损耗就越大，变换器的工作效率就随之降低。硬开关技术下的开关频率无法趋于高频化，变换器也就无法趋于小型化和轻量化，大大限制了变换器的发展。当开关器件关断时，电路的感性元件感应出的尖峰电压会随开关频率的提高而升高，此电压加在开关器件的两端，易造成器件击穿。当开关器件在很高的电压下开通使，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，此开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，随着频率的提高，电路中di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰增大，影响整流器和周围电子设备的工作。以上这些问题最终限制了变换器向轻量化和小型化方向的发展^{[5, 6]}。

为了克服硬开关技术在高频化时所带来的种种问题，最关键的就是减小开关损耗，因此软开关应运而生^{[7, 8, 9]}。所谓软开关，即通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压或者电流先降到零，关断前电流或者电压先降到零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗。此外，简单地利用与开关并联的电容实现零电压关断和利用与开关串联的电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，没有应用价值，主要讨论零电压开通和零电流关断。很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关^[10]。

软开关的思想早就存在，如在采用不可控晶闸管器件的电容换相式逆变电路中，其晶闸管的电感耦合式电容换相就是一种零电流关断方法^[11]。早期的功率变换技术分为两类：PWM技术和谐振技术。PWM技术通过中断功率流通和控制占空比的方法来变换功率；而谐振技术以正弦和准正弦形式处理能量。谐振变换器主要应用在半桥和全桥电路中，谐振电感和谐振电容参与功率转换，用来实现功率开关管的零电压开关和零电流开关，它是软开关技术较早的形式。PWM直流变换器则具有电路简单、易于控制等特点，因此被广泛利用。谐振变换器虽然具有较小的开关损耗和开关应力，但是其导通损耗大，电路复杂，因而未被广泛应用^[12]。

80年代，随着微电子学和大规模集成电路的发展，功率变换装置慢慢成为各种信息处理设备趋向于小型化的限制，再加上高频率开关器件的发展，使得直流变换器向高频发展。为了提高开关管的工作频率，同时解决硬开关工作方式下开关损耗较大的问题，美国弗州电力电子中心的李泽元教授等人提出了软开关的概念。他们结合PWM变换器和谐振变换器的特点，提出了谐振开关的概念，并将其应用于基本PWM直流变换器，产生量准谐振变换器 ^[13-16]。在一个开关周期中，准谐振变换器只在开关管导通期间或者关断期间谐振运行，为部分谐振，故称为准谐振。准谐振变换器的出现极大地减小了变换器的开关损耗，但是由于其没有考虑无源开关二极管的开关条件，因此之后又出现了多谐振变换器^{[16, 17, 18]}。在多谐振变换器中，由于电路中的谐振拓扑和参数不止一个，故称为多谐振。此外还有一类利用电流或电压的不连续模式运行实现了软开关的功率变换器，由于它的电压或电流波形近似于方波，故被称为准方波变换器^[19]。

当负载和输入电压变化较大时，开关频率同样也需要大的变化范围，这就使得变压器和滤波器的设计变得困难。因而，软开关的恒频控制成为新的研究方向，各种恒频控制变换器就逐一出现。此种变换器在按PWM方式运行的同时，兼具软开关的特点和PWM恒频占空比控制的优点。准谐振、多谐振变换器和准方波变换器以及各种恒频控制变换器的谐振电感都位于变换器的主功率回路中，所以电路中总是存在着很大的环流能量，增加了电路的导通损耗。而且电感储能与输入电源和输出负载有密切关系，这使得电路的软开关技术条件非常依赖于输入电源和输出负载。为了解决这些问题，美国弗州电力电子中心的G.Hua提出零转换的概念，分别给出零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器^{[20, 21]}。