为了减小器件的功率损耗,在实际使用中,可采用软开关技术,即通过改变电路结构来达到降低开关损耗的目的。下面对比说明硬开关和软开关技术的区别。
1.硬开关
硬开关在开关过程中,电压、电流均不为零,出现了重叠,有显著的开关损耗。由于电压和电流变化的速度很快,波形出现了明显的过冲,因而产生了开关噪声。并且开关损耗与开关频率之间呈线性关系,因此,当硬开关电路的工作频率不太高时,开关损耗占总损耗的比例并不大,但随着开关频率的提高,开关损耗就越来越显著。图9-48给出了硬开关在开关过程中的电流i(t)和电压u(t)及功耗p(t)的变化曲线。可见,在开通过程中,器件中的电流有明显的过冲;在关断过程中,器件两端的电压有明显的过冲,由此导致开通和关断过程出现较大的开关功耗。由此可见,电力半导体器件的硬开关过程存在上述三个弊端:开关功耗大、开关频率受限、di/dt和du/dt对主开关器件形成过电流或过电压冲击并产生电磁干扰。
图9-48 硬开关在开关过程中的电流、电压及功耗的变化曲线
2.软开关(www.daowen.com)
为了避免或消除硬开关的弊端,提出了软开关的概念,即通过在电路中引入谐振,使主开关器件在开通或关断过程中的功耗近似为零。软开关包括零电压开关(Zero Voltage Switch,ZVS)和零电流开关(Zero Current Switch,ZCS)两类。它们既可以用于开通,也可以用于关断。零电压开关指在开关过程中电压为零或接近于零;零电流开关指在开关过程中电流为零或接近于零。图9-49给出了在软开关过程中的电流i(t)和电压u(t)及功耗p(t)的变化曲线。可见,在开通之前,器件两端的电压已经下降到零,因此开通功耗为零;在关断之前,器件中的电流已经减小到零,因此关断功耗为零。
图9-49 在软开关过程中的电流和电压及功耗的变化曲线
可见,采用软开关技术,通过在电路中引入谐振,改善了主开关器件的开关条件,大大降低了硬开关电路的开关损耗和开关噪声问题。与吸收电路的不同之处在于,软开关技术是利用电感和电容对主开关器件的轨迹进行整形,真正减小开关损耗,而不是将开关损耗转移到吸收电路来消耗掉。
采用软开关技术和吸收电路都是为了降低器件功耗,不同的是软开关技术是采取“堵”的方法抑制di/dt和du/dt,吸收电路则是采取“疏通”的方法吸收di/dt和du/dt,并将吸收的能量反馈至电源或负载中。相比较而言,吸收电路比软开关技术更有发展前景。
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