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1、第第8章章 软开关技术软开关技术 8.1 8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.2 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 8.3 8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 8.4 8.4 软开关技术新进展软开关技术新进展 本章小结本章小结2/29引言引言现代电力电子装置的发展趋势是现代电力电子装置的发展趋势是小型化小型化、轻量化轻量化，同时，同时对装置的对装置的效率效率和和电磁兼容性电磁兼容性也提出了更高的要求。也提出了更高的要求。电力电子电路的高频化电力电子电路的高频化 可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。
2、置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。 软开关技术软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。 使开关频率可以大幅度提高。使开关频率可以大幅度提高。3/298.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关4/298.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关硬开关硬开关 开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗开关损耗。 电压和电流变化的速度很快，波形出
3、现了明显的过冲，从而产生了电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关开关噪声噪声。 开关损耗与开关损耗与开关频率开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高之间呈线性关系，因此当硬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。越来越显著。 图图8-1 硬开关降压型电路及波形硬开关降压型电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形 t0uiP0uituuiiP00图图8-2 硬开关过程中的电压和电流硬开关过程中的电压和电流a) 关断过程关断
4、过程 b)开通过程开通过程a)b)5/298.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关软开关软开关 软开关电路中增加了软开关电路中增加了谐振电感谐振电感Lr和和谐振电容谐振电容Cr，与滤波电感，与滤波电感L、电容、电容C相相比，比，Lr和和Cr的值小得多，同时开关的值小得多，同时开关S增加了增加了反并联二极管反并联二极管VDS，而硬开关电路，而硬开关电路中不需要这个二极管。中不需要这个二极管。 降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开
5、关过程中，消除了开关过程中电压、电流的电压、电流的重叠重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。，这使得开关噪声也显著减小。 Pui0uitt0uiP0uitt0uu图图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形降压型零电压开关准谐振电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形a)b)图图8-4 软开关过程中的电压和电流软开关过程中的电压和电流b) 关断过程关断过程 a)开通过程开通过程 6/298.1.2 零电压开关与零电流开关零电压
6、开关与零电流开关零电压开通零电压开通 开关开通前其开关开通前其两端电压为零两端电压为零，则开通时不会产生损耗和，则开通时不会产生损耗和噪声。噪声。零电流关断零电流关断 开关关断前其开关关断前其电流为零电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声。，则关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断零电压关断 与开关与开关并联的电容并联的电容能延缓开关关断后能延缓开关关断后电压上升的速率电压上升的速率，从而降低关断损耗。从而降低关断损耗。零电流开通零电流开通 与开关与开关串联的电感串联的电感能延缓开关开通后能延缓开关开通后电流上升的速率电流上升的速率，降低了开通损耗。降低了开通损耗。在很多情况下，不再指出开通或关断
7、，仅称零电压开关在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。和零电流开关。 7/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类软开关电路的分类软开关电路的分类 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路零电压电路和和零电流电路零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成分成准谐振
8、电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和和零转换零转换PWM电路电路。 8/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图 8-5 准谐振电路准谐振电路a）零电压开关准谐振电路）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路）零电压开关多谐振电路 准谐振电路准谐振电路 分类分类 零电压开关准谐振电路（零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC） 零电流开关准谐振电路（零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Reso
9、nant ConverterZCS QRC） 零电压开关多谐振电路（零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC） 用于逆变器的谐振直流环节（用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link） 9/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类准谐振电路中电压或电流的波形为准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波正弦半波，因此称之，因此称之为为准谐振准谐振。 开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题 谐振谐振电压峰值电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。
10、很高，要求器件耐压必须提高。 谐振谐振电流的有效值电流的有效值很大，电路中存在大量的很大，电路中存在大量的无功功率无功功率的交换的交换，造成电路导通损耗加大。，造成电路导通损耗加大。 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用能采用脉冲频率调制脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。难。 10/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图8-6 零开关零开关PWM电路电路a）零电压开关）零电压开关PWM电路电路
11、b）零电流开关）零电流开关PWM电路电路 零开关零开关PWM电路电路 电路中引入了电路中引入了辅助开关辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。程前后。 分类分类 零电压开关零电压开关PWM电路（电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM） 零电流开关零电流开关PWM电路（电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM） 同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上
12、是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的开关频率固定的PWM控制方式控制方式。 11/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图 8-7 零转换零转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元a）零电压转换）零电压转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元 b）零电流转换）零电流转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元零转换零转换PWM电路电路 电路中采用电路中采用辅助开关辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开
13、关主开关并联并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且都能工作在软开关状态，而且电路中电路中无功功率的交换无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。 分类分类 零电压转换零电压转换PWM电路（电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM） 零电流转换零电流转换PWM电路（电路（Zero-Current Tra
14、nsition PWM ConverterZVT PWM） 12/298.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 8.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路13/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路图图8-8 零电压开关零电压开关准谐振电路原理图准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 假设假设电感电感L和和电容电容C很大，可以等效为很大，可以等效为电流源电流源和和电压源电压源，并忽略电，并忽略电路中的
15、路中的损耗损耗。 开关电路的工作过程是按开关电路的工作过程是按开关周期开关周期重复的，在分析时可以选择开重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点合适的起点，可以使分析得到，可以使分析得到简化。简化。 14/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形零电压开关准谐振电路的理想化波形 图图8-10 零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路在电路在t0t1时段等效电路时段等效电路图图8-8 零电压
16、开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图工作过程工作过程 选择开关选择开关S的关断时刻的关断时刻为分析的起点。为分析的起点。 t0t1时段：时段：t0之前，之前，S导通，导通，VD为断态，为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻时刻S关断关断，Cr使使S关断后关断后电压上升减缓，因此电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，的关断损耗减小，S关断后，关断后，VD尚未导通，电路可以等效为图尚未导通，电路可以等效为图8-10；Lr+L向向Cr充电，充电，L等效为电流源等效为电流源，uCr线性上升，同时线性上升，同时VD两端电压两端电压uVD逐渐下降，逐渐下降，直到直到t1时刻，时刻，uVD=0，
17、VD导通，这一时段导通，这一时段uCr的上升率为的上升率为 rrddCItuLC(8-1)15/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路图图8-8 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形零电压开关准谐振电路的理想化波形 图图8-11 零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路在电路在t1t2时段等效电路时段等效电路t1t2时段：时段：t1时刻时刻VD导通，导通，L通过通过VD续续流，流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路形成谐振回路，如图，如图8
18、-11所示；谐振过程中，所示；谐振过程中，Lr对对Cr充电，充电，uCr不不断上升，断上升，iLr不断下降，直到不断下降，直到t2时刻，时刻，iLr下下降到零，降到零，uCr达到达到谐振峰值谐振峰值。t2t3时段：时段：t2时刻后，时刻后，Cr向向Lr放电，放电，iLr改变方向，改变方向，uCr不断下降，直到不断下降，直到t3时刻，时刻，uCr=Ui，这时，这时，uLr=0，iLr达到达到反向谐振峰反向谐振峰值值。t3t4时段：时段：t3时刻以后，时刻以后，Lr向向Cr反向充反向充电，电，uCr继续下降，直到继续下降，直到t4时刻时刻uCr=0。16/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压
19、开关准谐振电路图图8-8 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形零电压开关准谐振电路的理想化波形 t1到到t4时段电路谐振过程的方程为时段电路谐振过程的方程为 ,dddd41rirrrrirrr11tttIiUuituCUutiLLttLttCLCCL(8-2)t4t5时段：时段：uCr被箝位于零，被箝位于零，uLr=Ui，iLr线性衰减，直到线性衰减，直到t5时刻，时刻，iLr=0。由于。由于这一时段这一时段S两端电压为零两端电压为零，所以必须在，
20、所以必须在这一时段使开关这一时段使开关S开通，才不会产生开通，才不会产生开开通损耗通损耗。 iLr=0后，后，uVD=0，S才可以开通。才可以开通。 t5t6时段：时段：S为通态，为通态，iLr线性上升，直线性上升，直到到t6时刻，时刻，iLr=IL，VD关断。关断。t4到到t6时段电流时段电流iLr的变化率为的变化率为 rirddLUtiLt6t0时段：时段：S为通态，为通态，VD为断态。为断态。 (8-3)17/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本
21、数量关系为关系为 uCr（即开关（即开关S的电压的电压uS）的表达式）的表达式 ,1,)(sin)(41rrri1rrrrtttCLUttICLtuLC t1,t4上的最大值即上的最大值即uCr的谐振峰值的谐振峰值，就是开关，就是开关S承受的峰值电压承受的峰值电压，表达式，表达式为为 irrpUICLUL零电压开关准谐振电路实现软开关的条件零电压开关准谐振电路实现软开关的条件 irrUICLL如果正弦项的幅值小于如果正弦项的幅值小于Ui，uCr就不可能谐振到零，就不可能谐振到零，S也就不可能实现零也就不可能实现零电压开通。电压开通。 零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压零电压
22、开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的的2倍倍，开，开关关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。 18/298.3.2 谐振直流环谐振直流环图图8-12 谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图图图8-13 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路谐振直流环谐振直流环 应用于交流应用于交流-直流直流-交流变换电路的交流变换电路的中间直流环节（中间直流环节（DC-Link），通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件
23、下。关的条件下。 图图8-12中，辅助开关中，辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关的条件下，实际电路中开关S不存在，不存在，S的开关动作采用逆变电路中开的开关动作采用逆变电路中开关的直通与关断来代替。关的直通与关断来代替。 电压型逆变器的负载通常为电压型逆变器的负载通常为感性感性，而且在谐振过程中逆变电路的，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，负载电流视为常量。开关状态是不变的，负载电流视为常量。 19/298.3.2 谐振直流环谐振直流环图图8-13 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3
24、t4t0iLruCrUinILttOO图图8-14 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形工作过程工作过程 以开关以开关S关断时刻关断时刻为起点。为起点。 t0t1时段：时段：t0之前，之前，iLr大于大于IL，S导通，导通，t0时刻时刻S关断关断 （例如，（例如，S2断），断），电路中发生谐振电路中发生谐振，因为，因为iLrIL，因此，因此iLr对对Cr充电，充电，uCr不断升高，直到不断升高，直到t1时刻，时刻，uCr=Ui。 t1t2时段：时段：t1时刻由于时刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此谐振电流，因此谐振电流iLr达到达到峰值峰值，t1以后，以后，iLr继续向继续向
25、Cr充电并不断减小，充电并不断减小，而而uCr进一步升高，直到进一步升高，直到t2时刻时刻iLr=IL，uCr达到达到谐振峰值谐振峰值。 20/298.3.2 谐振直流环谐振直流环 t2t3时段：时段：t2以后，以后，uCr向向Lr和和IL放电，放电，iLr继继续降低，到零后反向，续降低，到零后反向，Cr继续向继续向Lr放电，放电，iLr反向增加，直到反向增加，直到t3时刻时刻uCr=Ui。 t3t4时段：时段：t3时刻，时刻，uCr=Ui，iLr达到达到反向谐反向谐振峰值振峰值，然后，然后iLr开始衰减，开始衰减，uCr继续下降，继续下降，直到直到t4时刻，时刻，uCr=0，VDS导通，导通
26、，uCr被箝位于被箝位于零零。 t4t0时段：驱动时段：驱动S4，电流，电流iLr线性上升线性上升，至，至 iLr=0时，时， S4直零电压开通。到直零电压开通。到t0时刻，时刻，S再再次关断。次关断。谐振直流环电路中电压谐振直流环电路中电压uCr的谐振峰值很高，的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。增加了对开关器件耐压的要求。图图8-13 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图图8-14 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形21/298.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路图图8
27、-15 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWM电路电路 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 电路简单，仅仅增加了一个电路简单，仅仅增加了一个谐振电谐振电感感，就使电路中四个开关器件都在零电，就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。压的条件下开通。 控制方式的特点控制方式的特点 在一个开关周期在一个开关周期TS内，每一个开关导内，每一个开关导通的时间都通的时间都略小于略小于TS/2，而关断的时间都，而关断的时间都略大于略大于TS/2。 同一个半桥中上下两个开关不同时同一个半桥中上下两个开关不同时处于通态，每一个开关关断到另一个开处于通态，每一个开关关断到另一个开关开
28、通都要经过一定的关开通都要经过一定的死区时间死区时间。 互为对角的两对开关互为对角的两对开关V1-V4和和V2-V3，V1的波形比的波形比S4 超前超前0TS/2 时间，而时间，而V3 的的波形比波形比S2 超前超前0TS/2 时间，因此称时间，因此称V1 和和V3 为为超前的桥臂超前的桥臂，而称，而称V2 和和V4 为为滞后的滞后的桥臂桥臂。22/298.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路在一个开关周期在一个开关周期TS内，共有内，共有12种开关模式，分析半周期种开关模式，分析半周期6个开关模式。个开关模式。TS/223/298.3.3 移相全桥型零电压开关移相全
29、桥型零电压开关PWM电路电路t0之前：之前：主开关管主开关管V1，V4导通。初级电流流经导通。初级电流流经V1、变压器初级绕组、谐变压器初级绕组、谐振电感振电感Lr、V4。整流二极管。整流二极管DR1导通，导通，DR2截止，初级向次级供电。截止，初级向次级供电。*8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路24/29t0-t1：t0时关断时关断V1，电路模式如图，电路模式如图，C1充电，充电，C3放电。谐振电感放电。谐振电感Lr 和滤波和滤波Lf 电感是电感是串联的串联的,且且Lf 很大，故可以认为很大，故可以认为iP近似恒定（略微下降），相当于电流源。近似恒定（略微下降
30、），相当于电流源。C1电压：电压：由零线性上升，因此由零线性上升，因此V1是是零电压关断（有关断损耗）零电压关断（有关断损耗）。在。在t1时，时，C3上的电压下降到上的电压下降到接近零，接近零，D3自然导通。自然导通。开关模式开关模式1结束。持续时间：结束。持续时间：t0-1=2CUi/I1*urect8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路25/29t1-t2： t1时时D3导通，将导通，将V3上的电位箝位到零位，此时驱动上的电位箝位到零位，此时驱动V3，则，则V3是是零电压开通零电压开通，但但V3没有电流流过。没有电流流过。V1、V3驱动信号死区时间驱动信号死区时
31、间 t d t0-1。这段时间，初级电流等于滤。这段时间，初级电流等于滤波电感折算过来的电流，波电感折算过来的电流，iP=iLf/K 。t2时刻关断时刻关断V4，开关模式开关模式2 结束。结束。*tdurect电压大于零电压大于零8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路26/29t2-t3： t2时关断时关断V4，初级电流转移到，初级电流转移到C2和和C4，抽走，抽走C2上电荷，同时上电荷，同时C4充电。充电。V4上的上的电压是从零缓慢上升（电压是从零缓慢上升（C4充电原因），因此充电原因），因此V4是是零电压关断（有关断损耗）零电压关断（有关断损耗）。uAB极性从零
32、变负，变压器初级绕组的电动势下负上正，整流二极管极性从零变负，变压器初级绕组的电动势下负上正，整流二极管DR2导通。由于导通。由于DR1、DR2同时导通，初、次级电压均为零。同时导通，初、次级电压均为零。uAB直接加在谐振电感直接加在谐振电感Lr上，因此上，因此Lr、C2、C4谐振谐振。t3时刻，时刻，C4电压上升到电压上升到Ui（ULr=Ui），），D2自然导通自然导通，开关模式开关模式3 结束。结束。 注意：谐振结束后状态！注意：谐振结束后状态！*urect8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路27/29t3-t4： t3时刻时刻D2导通，导通，V2上电位箝位在
33、零位，此时驱动上电位箝位在零位，此时驱动V2，V2零电压开通零电压开通。V2、V4驱动死区时间驱动死区时间td t23, 虽然虽然 V2已开通，但已开通，但V2不流过电流，谐振电感储不流过电流，谐振电感储能经能经D3、D2回馈电源。由于两个整流二极管导通，初级绕组电压为零，回馈电源。由于两个整流二极管导通，初级绕组电压为零，Ui 加在谐振加在谐振电感两端。电感两端。到到t4时刻时刻，初级电流下降到零，初级电流下降到零，D2、D3自然关断；自然关断；uLi=Lrdi/dt=Ui，V2、V3将流过电流，将流过电流，零电压开通（目的达到！）。零电压开通（目的达到！）。开关模式开关模式4 结束。结束。
34、如果没有如果没有Lr .就就 不会是零电压开通！不会是零电压开通！21sin1IZUtpid *urect8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路28/29t4-t5： t4时刻初级电流由零向负方向增加（时刻初级电流由零向负方向增加（V2、V3已开通），还不足以向负载供电，已开通），还不足以向负载供电，负载电流仍有两个整流二极管提供回路，初级电压仍然为零，谐振电感上电压为电负载电流仍有两个整流二极管提供回路，初级电压仍然为零，谐振电感上电压为电源电压源电压Ui，初级电流线性下降。，初级电流线性下降。 t5时刻，初级电流达到折算到初级的负载电流时刻，初级电流达到折算到初
35、级的负载电流 ILf（t5）/K，整流二极管，整流二极管DR1关断，关断，DR2流过全部负载电流。流过全部负载电流。开关模式开关模式5 结束。结束。*urect8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路t5-t6： t5时刻，整流二极管时刻，整流二极管DR1关断，关断，DR2流过全部负载电流。此时间段里电源向负流过全部负载电流。此时间段里电源向负载供电，在载供电，在t6时刻，时刻，V3关断，关断，开关模式开关模式6 结束。电路开始另半个周期工作，工作情况结束。电路开始另半个周期工作，工作情况通前半个周期相似。通前半个周期相似。谐振谐振 续流、反馈电感储能续流、反馈电感储
36、能 V2、V3开通开通 开始向负载供电开始向负载供电*urect29/2930/298.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路参考书籍：参考书籍：刘凤君刘凤君. 现代高频开关电源技术现代高频开关电源技术. 北京北京: 电子工业出版社电子工业出版社. 2008.1 244248页页31/298.4 软开关技术新进展软开关技术新进展软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势 新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍。术的应用也越来越普遍。 在开关频率接近甚至超过在开关频
37、率接近甚至超过1MHz、对效率要求又很高的、对效率要求又很高的场合，曾经被遗忘的场合，曾经被遗忘的谐振电路谐振电路又重新得到应用，并且表又重新得到应用，并且表现出很好的性能。现出很好的性能。 采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串连构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势，串连构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势，在不少应用场合，在不少应用场合，组合电路组合电路的性能比单一电路显著提高。的性能比单一电路显著提高。32/29本章小结本章小结本章的重点为：本章的重点为： 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关软开关技术通过
38、在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗开关损耗和和开关噪开关噪声声问题。问题。 软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类；按软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类；按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWMPWM和和零转换零转换PWMPWM三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。生拓扑。 零电压开关准谐振电路、零电压开关零电压开关准谐振电路、零电压开关PWMPWM电路和零电电路和零电压转换压转换PWMPWM电路分别是三类软开关
39、电路的代表；谐振直电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。33/298.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路图图8-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的原理图电路的原理图零电压转换零电压转换PWM电路电路 具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路（PFC）、）、DC-DC变换器、斩波器等。变换器、斩波器等。 以升压电路为例，在分析中假设以升压电路为例，在分析中假设电感电感L、电容电容C很大，可以忽略电很大，可以忽略电流和输出电压
40、的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。流和输出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。 在零电压转换在零电压转换PWM电路中，辅助开关电路中，辅助开关S1超前于主开关超前于主开关S开通，而开通，而S开通后开通后S1就关断了，主要的谐振过程都集中在就关断了，主要的谐振过程都集中在S开通前后。开通前后。 LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR34/298.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图8-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理想电路的理想化
41、波形化波形 LS1LriLrUiILCrVDS图图 8-21 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路在电路在t1t2时段的等效电路时段的等效电路LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR图图8-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的原理图电路的原理图 工作过程工作过程 t0t1时段：辅助开关先于主开关开通，由时段：辅助开关先于主开关开通，由于此时于此时VD尚处于通态，所以尚处于通态，所以uLr=Uo，iLr按线按线性迅速增长性迅速增长，iVD以同样的速率下降以同样的速率下降，直到，直到t1时时刻，刻，iLr=IL，iVD下降到零，二极管自然关断。下降到零，二
42、极管自然关断。 t1t2时段：此时电路可以等效为图时段：此时电路可以等效为图8-21，Lr与与Cr构成谐振回路构成谐振回路，由于，由于L很大，谐振过程很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略；谐振过程中略；谐振过程中iLr增加而增加而uCr下降，下降，t2时刻时刻uCr降降到零，到零，VDS导通，导通，uCr被箝位于零，而被箝位于零，而iLr保持不保持不变。变。35/298.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOOLSCrS1LrVD1VDC
43、Ui+UoILiLriVDVDSR图图8-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的原理图电路的原理图图图8-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理想化波形电路的理想化波形 t2t3时段：时段：uCr被箝位于零，被箝位于零，而而iLr保持不变，这种状态一保持不变，这种状态一直保持到直保持到t3时刻时刻S开通、开通、S1关关断。断。 t3t4时段：时段：t3时刻时刻S开通时，开通时，uS为零，因此没有开关损耗，为零，因此没有开关损耗，S开通的同时开通的同时S1关断，关断，Lr中中的能量通过的能量通过VD1向负载侧输向负载侧输送送，uLr下降，而下降，而iS线性上升，线性上升，到到t4时刻时刻iLr=0，VD1关断，关断，iS=IL，电路进入正常导通状，电路进入正常导通状态。态。 t4t5时段：时段：t5时刻时刻S关断，关断，由于由于Cr的存在，的存在，S关断时的关断时的电压上升率受到限制，降低电压上升率受到限制，降低了了S的的关断损耗关断损耗。