ZVS 技术全解析：原理、优势、应用及与传统硬开关电源对比

ZVS（零电压开关）技术简介

ZVS（Zero Voltage Switching），即零电压开关技术，是一种电力电子开关技术，旨在减少开关过程中的电压和电流损耗，提高电源转换效率。这种技术通常用于高频电源转换系统，如开关电源、逆变器等。ZVS技术通过在开关管的导通和关断过程中实现零电压或零电流开关，从而降低开关损耗，提高系统的整体效率和功率密度.

ZVS技术的工作原理

ZVS技术的工作原理涉及到电路中的谐振现象。在ZVS电路中，通过特定的电路设计，使得开关管在导通和关断时，其两端的电压降至零或接近零。这样，开关管在开关过程中的电压和电流波形不再重叠，从而减少了开关损耗。ZVS技术通常利用LC谐振电路来实现零电压开关，其中L代表电感，C代表电容，它们在特定频率下共振，使得开关管在谐振点附近导通和关断，实现零电压开关.

ZVS技术的应用

1、电力电子领域

开关电源

• 计算机电源：在计算机电源中，特别是高性能服务器电源。传统电源在高功率转换时会产生较大损耗和热量，ZVS技术能够有效降低开关损耗，提高电源转换效率，保证计算机在高负载运行（如大型游戏运行、数据处理等）时的稳定供电。例如，服务器在进行多任务处理和大量数据读写时，电源需要提供稳定且高效的电力，ZVS技术可以使电源在高频开关状态下，减少能量损失，降低电源自身的发热，延长电源使用寿命。
• 通信电源：通信基站的电源系统要求具有高可靠性和高转换效率。ZVS技术应用于通信电源的DC - DC或AC - DC转换模块中，由于减少了电磁干扰（EMI），能够避免对通信信号产生干扰。并且在将市电转换为适合通信设备使用的直流电过程中，提高了转换效率，有助于降低基站的能耗和运营成本。

逆变器

• 太阳能逆变器：太阳能光伏发电系统需要将直流电转换为交流电并入电网。ZVS技术在太阳能逆变器中的应用，可以提高逆变器的转换效率，减少能量在转换过程中的损耗。这对于提高太阳能发电系统的整体发电效率至关重要，能够使更多的太阳能转化为可用的电能，提升太阳能在能源市场中的竞争力。
• 不间断电源（UPS）逆变器：在UPS中，当市电中断时，逆变器需要迅速将电池的直流电转换为交流电为负载供电。ZVS技术能够确保逆变器在这种紧急情况下快速、高效地工作，并且输出稳定的交流电，保证负载（如服务器、医疗设备等关键设备）的正常运行，避免数据丢失或设备损坏。

2、工业领域

电机驱动

• 工业电机变频调速系统：在工业生产中，大量的电机需要进行变频调速以满足不同的生产工艺要求。ZVS技术应用于电机驱动的变频器中，通过降低开关损耗，提高了变频器的效率。例如，在机床的电机驱动系统中，采用ZVS技术的变频器能够更精确地控制电机转速，减少电机的能量损耗，提高加工精度，同时降低电磁干扰对周围设备的影响。
• 电动汽车电机驱动系统：电动汽车的电机驱动对于能源利用效率和动力性能要求极高。ZVS技术可以提高电机驱动系统中功率变换器的效率，延长电动汽车的续航里程。并且在高频率的开关动作下，减少了电磁辐射对车内电子设备的干扰，提高了车辆的电磁兼容性。

感应加热设备

• 金属熔炼炉：在金属熔炼行业，感应加热炉利用电磁感应原理对金属进行加热熔炼。ZVS技术应用于感应加热设备的电源部分，能够提高电源的效率，使金属更快地达到熔炼温度，同时减少能源消耗。例如，在钢铁熔炼过程中，高效的电源转换可以加快熔炼速度，提高生产效率，降低生产成本。
• 热处理设备：对于金属材料的热处理（如淬火、回火等），需要精确控制加热温度和时间。ZVS技术在热处理设备中的应用，可以提供稳定、高效的加热功率，保证热处理过程的质量和一致性，并且节能效果显著，有助于提升热处理行业的能源利用效率。

3、消费电子领域

家电产品

• 液晶电视：液晶电视的电源板采用ZVS技术，可以提高电源转换效率，降低功耗，减少电源部分的发热。这不仅有助于节省能源，还能延长电源板的使用寿命，减少因过热导致的故障。同时，减少的电磁干扰也有利于提高电视画面的质量，使图像更加清晰稳定。
• 空调：在空调的变频压缩机驱动电路中，ZVS技术能够提高驱动电路的效率，使空调在不同的制冷或制热需求下，更有效地调节压缩机的转速，实现节能运行。并且降低了电磁干扰，有助于提高空调内部电子控制系统的稳定性。

便携式电子设备

• 智能手机充电器：部分高端智能手机充电器应用了ZVS技术。这种充电器能够实现快速充电，提高充电效率，缩短充电时间。同时，较小的开关损耗使得充电器在充电过程中发热减少，体积也可以做得更小，方便用户携带。
• 笔记本电脑电源适配器：ZVS技术在笔记本电脑电源适配器中的应用，可以提高适配器的转换效率，降低热量产生。在为笔记本电脑提供稳定电源的同时，延长适配器的使用寿命，并且由于减少了电磁干扰，有利于电脑内部电子元件的稳定运行。

ZVS技术的优势

ZVS（零电压开关）技术是一种先进的电力电子技术，具有以下诸多优势：

1、降低开关损耗

• 在传统的硬开关电路中，开关器件在开通和关断过程中，电压和电流会产生交叠，导致较大的功率损耗。例如，在一个MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）开关电路中，当MOSFET导通时，其两端电压需要从高电平快速下降到低电平，同时电流开始上升。这个过程中，由于电压和电流同时存在，会产生瞬时的高功率损耗（$P = UI$）。
• 而ZVS技术通过使开关器件在电压为零时开通或关断，避免了电压和电流的交叠。这就大大降低了开关过程中的能量损耗，提高了电路的效率。特别是在高频开关电路中，开关损耗的降低效果更加显著。因为高频电路中开关动作频繁，传统硬开关的损耗积累会导致严重的发热问题，而ZVS技术能够有效缓解这个问题。

2、减少电磁干扰（EMI）

硬开关过程中，由于电压和电流的快速变化，会产生大量的电磁辐射。这些电磁干扰可能会影响周围的电子设备，使其性能下降甚至出现故障。例如，在一个包含微控制器的电子系统中，如果附近存在硬开关电路产生的强电磁干扰，可能会导致微控制器的程序出现错误，或者使通信信号受到干扰。
ZVS技术实现了软开关，其开关过程中电压和电流的变化相对平缓。这样就减少了高频谐波成分，从而降低了电磁干扰的发射强度。这对于在电磁兼容性要求较高的环境下工作的电子设备，如医疗设备、通信基站等，是非常重要的。

3、提高功率密度

由于ZVS技术降低了开关损耗，使得电路在相同的散热条件下能够承受更高的功率。这意味着可以使用更小的散热装置或者在相同的体积内集成更高功率的电路模块。
例如，在一个电源模块设计中，采用ZVS技术后，可以将多个功率开关器件和磁性元件更加紧凑地布局在一起。因为不需要预留大量的空间用于散热，从而有效提高了电源模块的功率密度，使整个系统更加小型化和轻量化。

4、延长开关器件寿命

开关器件在硬开关过程中，由于高电压、大电流的瞬间冲击，会产生较大的电应力。这种电应力长期作用会导致开关器件的性能下降，如MOSFET的沟道老化、绝缘栅损坏等。
ZVS技术能够避免这些瞬间的高电压和大电流冲击，使开关器件工作在相对较为温和的条件下。这样就减少了开关器件的磨损和老化，从而延长了其使用寿命，降低了系统的维护成本。

综上所述，ZVS技术是一种高效、低损耗的电力电子开关技术，它在现代电源转换系统中扮演着重要角色，有助于提高系统的效率和功率密度，同时减少能耗和电磁干扰.

ZVS技术在开关电源中是如何减少电能损耗的

零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS） 技术是一种高级的软开关技术，在开关电源中通过减少开关损耗来提高效率。下面详细解释ZVS如何减少电能损耗：

1. 基本原理

在传统的硬开关操作中，开关器件（如MOSFET或IGBT）在高电压下导通，导致开关损耗显著。特别是在高频操作中，开关损耗会急剧增加，成为制约系统效率和性能的关键因素。ZVS技术通过实现开关元件在无电压或极低电压状态下导通，从而极大地减少开关损耗，提高效率。

2. ZVS的实现机制

ZVS技术依赖于开关器件的特性，这些器件在导通时具有较低的电阻，而在关断时具有较高的电阻。在ZVS应用中，开关在电压为零或接近零时导通，这意味着开关的电流在导通时不会突然增加，从而减少了开关损耗。

2.1 谐振电路的使用

ZVS通常通过谐振电路来实现。在开关导通前，谐振电路（包括谐振电感 ${?}_{?}$Lr​ 和谐振电容 ${?}_{?}$Cr​）预先对开关两端的电压进行放电，使其降至零。这可以通过LC谐振回路的电流与电压相位差特性来实现，用电感电流给MOSFET结电容放电，从而实现零电压开通。

2.2 辅助开关的使用

在某些ZVS拓扑中，会使用辅助开关来帮助主开关实现零电压开通。例如，在ZVT-BOOST电路中，辅助开关和主开关协同工作，通过合理的控制时序，使主开关在零电压条件下导通。这不仅减少了开关损耗，还提高了系统的整体效率。

3. 具体过程分析

以ZVT-BOOST电路为例，详细解析其工作过程：

4. 优化设计

为了进一步减少损耗，ZVS应用中功率器件的选择和设计需要特别考虑到以下几个关键性能指标：

• 低开通损耗 ：在ZVS应用中，器件的开通损耗是首要关注的损耗问题，尤其是在第一或第三象限操作时。这要求器件在开通时能够迅速且高效地转移电流，同时最小化电压和电流的重叠，从而减少能量损耗。
• 低关断损耗 ：尽管ZVS技术旨在降低开通损耗，但关断过程中的硬开关损耗依然是第二大损耗来源。因此，器件在关断时应具备快速的电压转换能力和低损耗特性，以减少能量在关断过程中的消耗。
• 低栅极电荷（Qg） ：ZVS应用由于消除了关断损耗，可以支持更高的开关频率。较低的栅极电荷意味着在高开关频率下，栅极驱动损耗更小，特别是在轻负载条件下，这有利于提高效率和系统稳定性。
• 低时间相关输出电容（Coss） ：输出电容影响电压降至零的速度，进而影响死区时间。较低的输出电容可以缩短死区时间，提高占空比，从而向负载输送更高功率，同时有助于实现ZVS条件，减少开关损耗。
• 低热阻 ：功率器件的热阻决定了其在高功率密度应用中散热的效率。低热阻可以有效降低器件的结温，提高器件的热稳定性和可靠性，从而延长产品的使用寿命。

5. 实际案例

Qorvo SiC FET在ZVS技术应用中展示了卓越的性能。通过采用共源共栅结构和银烧结芯片贴装技术，Qorvo SiC FET大幅降低了导通电阻和开关损耗，并提高了热性能。在实际应用中，Qorvo器件实现了更低的开关损耗、更高的效率和更好的热管理，适合高频、高压操作，满足现代电力电子设备对高效率和高功率密度的需求。

ZVS技术通过实现开关在零电压或接近零电压状态下导通，显著减少了开关损耗，提高了开关电源的效率。通过合理设计谐振电路和优化功率器件的性能指标，ZVS技术在高频、高压应用中展现出优越的性能，降低了系统损耗，提高了整体效率和可靠性。

ZVS技术与传统硬开关电源对比的优势

ZVS（Zero Voltage Switching）技术与传统硬开关电源相比，具有以下优势：

• 降低开关损耗：ZVS技术通过实现零电压或零电流切换，减少了开关器件的开关损耗，提高了系统的效率。
• 提高工作频率：由于消除了开关损耗，ZVS技术可以允许更高的工作频率，从而减小滤波元件的体积和重量，提高功率密度。
• 改善电磁兼容性：由于开关过程中的电压、电流变化率减小，ZVS技术能够有效地降低电磁干扰（EMI），改善系统的电磁兼容性能。
• 延长器件寿命：由于ZVS技术减小了开关过程中的冲击和损耗，因此可以延长电力电子器件（如IGBT、晶闸管等）的使用寿命。
• 提高系统稳定性：ZVS技术有助于减小系统的开关过程对电力网络的影响，从而提高系统的稳定性。
• 降低换能器件的压力：由于ZVS技术减小了器件的损耗和温升，因此可以降低换能器件（如变压器）的压力，增加其可靠性。
• 改善功率因数：ZVS技术有助于改善系统的功率因数，减小谐波产生，提高电能质量。

综上所述，ZVS技术在提高能效、降低成本、增强系统稳定性和可靠性方面具有明显优势，特别适用于高频、高效率的电源设计。

ZVS技术在高频电源转换系统中的应用

ZVS（Zero Voltage Switching，零电压切换）技术是一种在高频电源转换系统中广泛应用的技术，它能够显著提高电源转换效率，尤其是在高压输入的应用中更为有利。ZVS技术通过在MOSFET导通或关断前使电压降至零，从而消除电压和电流重叠的情形，将损耗降至最低。这种方法不仅能平滑过渡波形，还能将电磁干扰（EMI）降至最少。

在高频电源转换系统中，ZVS技术可以定义为MOSFET导通期间的传统PWM（脉冲宽度调制）电源转换，但采用“谐振”切换式转换。这种技术可以看作是采用恒定关断时间控制的PWM电源，它能改变转换频率或者导通时间，以保持输出稳压。在ZVS关断期间，稳压器的L-C电路发生谐振，使该开关上的电压从零跨越至峰值，然后在该开关被再次激活时回零，实现无损耗ZVS。这样，MOSFET的转换损耗为零，不受工作频率和输入电压的影响，从而节省功耗，提升效率。

ZVS技术还有其他优势，例如减小任何EMI的谐波频谱（使其集中于切换频率）和允许更高频率工作，这会使噪声更少、更易过滤并允许使用更小的滤波元件。不过，ZVS技术也有其局限性，例如无法保证MOSFET在被关断前以消散其全部能量，尤其是在高频时，这种“存储”的能量可能导致元件失效。为了克服这个问题，电源模块制造商通常会额外使用一个快速体二极管与开关并联，以确保所有能量从该晶体管耗尽。

在实际应用中，ZVS技术已经被用于多种高频电源转换系统，例如双有源桥（DAB）转换器的ZVS优化恒定和可变开关频率调制方案，这种方案能够在宽工作范围内最大化ZVS操作，提高电磁干扰（EMI）性能和整体电源效率。此外，基于SiC（碳化硅）的谐振转换器也被开发出来，它们能够在MHz范围内运行，实现高达25kW的功率转换，效率约为94%，这对于需要中频范围功率的应用来说是非常有吸引力的。

总的来说，ZVS技术在高频电源转换系统中的应用通过提高效率、减少EMI和允许更高频率工作，为电源转换系统的设计提供了更多的灵活性和性能优势。随着技术的不断进步，未来ZVS技术有望在更多领域得到应用，推动电源转换系统向更高效、更环保的方向发展。