零电压开关（ZVS）电路原理与设计（整理）

一、零电压开关（ZVS）应用背景
        零电压开关(Zero Voltage Switch)，即开关管关断时，开关管导通时，其两端的电压已经为0。这样开关管的开关损耗可以降到最低。我们平时使用的电磁炉和LLC电源都是这种谐振电源，普通的充电器等都是硬开关的，比这种谐振电源损耗要大些，所以ZVS可以做到很高效率，例如电磁炉，当我们把功率调到比较大时，为持续加热；当功率调的较小时，就开始断断续续加热，因为那个时候已经不能达到谐振状态了。像我们普通充电器那种硬开关的电源，不管空载和满载都是持续震荡的。但是零电压开关也有一个缺点，就是其调节范围一般都比较窄。

二、零电压开关（ZVS）原理

        图2-1 零电压开关原理图（直流供能）

        图2-2 零电压开关波形图及其t2时刻波形图

1.上电时L1通入的电流为零，电源通过R1、R2是Q1、Q2导通，L1电流逐渐增加，由于两个开关管特性差异，将导致流入两个开关管的电流不同，假设Q1电流大于Q2电流，所以Q1栅极电压高于Q2栅极电压，通过两个二极管D1、D2，使得a点电压低于c点电压，故T1将产生b为正，a为负的感应电压，于是通过T1形成正反馈，使Q1导通，Q2截止。完成启动过程。

2.（t0~t1时间）稳态Q1导通时，由于上个周期T1电流为a到c，并且C1两端电压为零。由于电流不能突变，T1电流将对C1充电，C1逐渐为a负c正的电压，并且正弦变大，T1电流正弦变小。此时a电压被Q1下拉到0V，所以C点电压正弦变大，Q1栅极电压被D3稳压管钳位，Q1时钟保持导通。

        图2-3 （t0~t1）Q1导通，T1电流对C1充电

4.（t1~t2时间）C1开始通过T1由c到a放电，C1电压即c点电压正弦变小，T1电流由c到a正弦变大。

        图2-4 （t1~t2）C1对T1绕组放电，当C1电压为0左右时，Q1关断，Q2导通

5.（t2时间）当C1能力基本放完时，c点电压下降到MOS管阀值电压左右，将通过D2使Q1进入放大区。此时C1对T1绕组由c到a放电电流达到最大值。同时由于Q1进入放大区，a点电压逐渐上升，同时通过D1使Q2也进入放大区。

6.（t2时间）C1放电完毕，T1绕组由c到a电流达到最大值，将像C1充电，使C1充电为a正c负的电压，同时C1两端电压正弦变大。此时两个MOS管同时进入放大区。

7.（右图）由于T1对C1的持续充电，C1上电压为a正c负，通过两个二极管使Q2栅极电压升高，Q1栅极逐渐下降，同时正反馈形成，Q2导通，Q1截止。

8.Q2导通与Q1导通过程类似。
9.L1电感值比T1大，整个震荡周期中L1电流基本不变。震荡过程中L1持续为LC振荡器补充电能。

三、零电压开关（ZVS）计算

1.波形振幅计算
        由波形图可知L1下端b点的波形为正弦波的绝对值（即为下面降到的Vbm）。由稳态时电感两端电压积分为0，流过电容电流积分为0，可计算出b点电压振幅。

        设b点电压为，电源电压为Vcc，

        则L1两端电压为即，

        对L1两端电压积分计算得，
        由波形图可知b点电压为a到c的电压的一半，所以a、c两端的电压即C1端电压为*2，即为（重点记忆）。

2.电感电流计算
        知道了电容C1两端的电压，就可以根据电容能量公式和电感能量公式来计算出电感最大峰值电流为：，其中L为a到c的电感值。

        可见C越大，L越小，通过电感L的电流就越大，大的C和小的L，将导致很大的电流通过电感L，会产生强大磁场，电磁感应加热由此而生。不过通过电感L的电流过大，需要考虑其电阻上面的损耗。同时流过C的最大电流等于电感最大电流，选择谐振电容时需要考虑电容的最大电流参数。

3.计算振荡频率

        该谐振属于LC并联谐振，所以谐振频率为

4.电感L1上交流峰值计算
        L1电感值较大时，流过的电流基本为直流，其电流为补偿振荡所损失的能量。由于b点的振幅已知，就可以计算出L1在一个振荡周期中的交流峰值电流了（其实际峰值电流为直流电流+交流峰值电流）

        Vb电压等于Vcc的时间t：

        于是对电压积分就可以计算出流过L1电流峰值：
        过小的L1会导致其电流峰值很大，导致不必要的损耗

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