在开关电源发展的初期阶段,功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的。也就是说,是在器件上的电压未达到零电压时强迫器件开通,在器件中流经的电流未达到零电流时强迫器件关断。由于开关管不是理想器件,在开通和关断这段时间内,电流和电压有一个交叠区,产生损耗,这种工作状态称之为“硬开关”。工作在硬开关状态下的电源开关损耗很大,并随开关频率的提高,开关损耗也随之增大。所以,硬开关技术限制了开关稳压电源的工作频率和效率的提高。
软开关技术的出现有效的解决了这个问题。所谓“软开关”是指零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)或零电流开关(Zero Current Switching,ZCS),它是应用谐振原理,使开关器件中的电压(或电流)按正弦规律变化,使电压(或电流)为零时,器件开通(或关断),减小电压与电流的交叠区。这样一来,理论上开关损耗可以做到为零。应用软开关技术,可以使开关稳压电源的工作频率达到MHZ的量级。按控制方式,软开关通常可以分为:脉冲宽度调制式(PWM)、脉冲频率调制式(PFM)、脉冲移相式(PS)三种。
1 PWM变换器
PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下,通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式,适用于中小功率的开关电源。
1.1 零电流开关PWM变换器

图1 Buck型ZCS-PWM变换器
图1是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程略有差异:
线性阶段(S1、S2导通):开始时,在LR作用下,S1零电流导通。随后,因Uin作用,ILR线性上升,并到达ILR=I0。
正向谐振阶段(S1、S2导通-关断):当ILR= I0时,因CR开始产生电压,VD在零电流下自然关断。之后,LR与CR开始谐振,经过半个谐振周期,ILR再次谐振到I0,UCR上升到值,而ICR为零,S2关断,UCR和ILR将被保持,无法继续谐振。
保持阶段(S1导通、S2关断):此状态保持时间由PWM电路要求而定,保持期间,Uin正常向负载以I0供电。
反向谐振阶段(S1导通-关断、S2导通):当需要关断S1时,可以控制重新打开S2,此时在LR作用下,S2电流为0。谐振再次开始,当ILR反向谐振到0时,S1可在零电流零电压下完成关断。
恢复阶段(S1关断、S2导通):此后,UCR在I0作用下,衰减到0。
续流阶段(S1关断、S2导通-关断):UCR衰减到0后,VD自然导通开始续流。由于VD的短路作用,S2可在此后至下一周期到来前以零压零电流方式完成关断。
可见,S1在前四个阶段(线性、谐振、保持)均导通,恢复及续流时关断。S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果,并利用谐振实现了自身的软开关。
该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断,主开关电压应力低,但电流应力大(谐振作用)。续流二极管电压应力大,而且谐振电感在主通路上,因而负载、输入等将影响ZCS工作状态。