零电压和零电流开关方式的诞生主要是为了解决我们电源设计中的开关管开通关断时损耗过大的问题,在我们还未使用ZVS(零电压)和ZCS(零电流)软开关技术时,我们使用的都是硬开关技术。
随着我们科技进步,使用设备的功能多样化,所以需要开关电源的供电路数和输出路数相对应的增加,这就要求我们的开关电源功率密度更大,电源效率更高,而且体积及重量要更小,且稳定性及可靠性也要更好;这个时候使用硬开关技术就会遇到几个大问题:首先,使用硬开关技术的话,在开关过程中电压和电流的变化率非常快,形成一个急剧的开关过程,导致开关瞬间产生较大的功率损耗;简单来说,就是开关管在导通和关断时,会导致电压和电流在开关瞬间重叠,从而产生较大的开关损耗;而且这个损耗随着开关频率的增加而增加,而我们为了能设计出小巧效率高的电源,势必要增加开关管的工作频率,所以如果还采用硬开关技术,那么结果肯定是开关管损坏,电源无法正常工作;其次采用硬开关技术会让开关管受到的应力增大,我们知道在开关管截止瞬间,我们电路中的感性元器件上还有电流,所以会产生一个反电动势,这个反电动势是一个幅值比较大的尖峰电压;而在我们开关管导通瞬间,我们电源电路中的容性元器件仍存在电压,这时就会出现充电电流,这是一个幅值比较高的尖峰电流;不管是尖峰电压或者尖峰电流,都会对我们的开关管造成一定的危害,而且随着我们开关管工作频率的升高,这个尖峰也不断升高,这就有可能让我们的开关管受到很大的应力而损坏;最后我们开关管的工作频率高还会导致EMI变得严重,可能会对电源自身及周边产品产生影响。
以上的问题主要原因就是开关管在导通和关断时损耗过大而造成的,所以如果我们可以做到开关管导通和关断时没有损耗,也就是说我们要在开关管导通瞬间让电压为零,在开关管截止瞬间让电流为零,那么我们就可以做到零损耗。
零电流技术,我们通常称为ZCS,是在开关管截止前,让电流下降到零,这样就解决了我们前面说的感性元器件在关断时的尖峰电压问题;零电压技术,我们通常称为ZVS,是在开关管导通之前,让结电容上的电压为零,这样就解决了前面说的容性元器件在导通时的尖峰电流问题。
软开关技术相对于硬开关技术而言有很大的优势,但是软开关技术的难度对于硬开关也有了质的变换,首先软开关技术的控制电路和算法相对于硬开关来说更为复杂,需要采用谐振或者准谐振技术才能实现;所以目前对于要求不是很高的电源产品,工程师宁愿使用硬开关技术。
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