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1、第5章软开关技术 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第5章软开关技术 引言现代电力电子装置的发展趋势发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。第5章软开关技术 引言PWM硬开关的局限性硬开关的局限性1热学限制热学限制在感性负载关断、容性负载开通时，电力电子开关器件承受很大的瞬时功耗
2、。典型的500v、200A达林顿结构的GTR在开关过程中必须承受100kW的峰值功耗。一个周期内器件的平均开关损耗一般占总平均损耗的30。40。随着开关频率的提高，这种损耗成正比例的增加。2二次击穿限制二次击穿限制第5章软开关技术 引言3电磁干扰限制电磁干扰限制在高频状态下运行时，开关器件本身的极间电容成为极重要的参数。尤其对M0SFET来说，由于采用门极绝缘栅结构，它的极间电容较大，因此引起的开关能量损耗以及密勒效应更为严重。在高电压下开通时，电容贮能被器件本身吸收和耗散，温升增加，极间电容电压转换时的dudt会耦合到辅入端产生电磁干扰(EMI)，使系统不稳定。此外极间电容与电路中的杂散电感
3、形成振荡也会干扰正常工作。4缓冲电路的限制缓冲电路的限制5.1软开关的基本概念5.1.1 5.1.1 硬开关和软开关硬开关和软开关硬开关和软开关硬开关和软开关 5.1.2 5.1.2 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关5.1.1硬开关和软开关硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图51硬开关的开关过程uiP0uituuiiP005.1.1硬开关和软开关软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、
4、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图52软开关的开关过程5.1.2零电压开关和零电流开关l零电压开通开关开通开通前其两端电压电压为零开通时不会产生损耗和噪声。l零电流关断开关关断关断前其电流电流为零关断时不会产生损耗和噪声。l零电压关断与开关并联并联的电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。l零电流开通与开关串联串联的电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和零电流开关零电流开关。靠电路中的谐振来实现。5.2软开关电路的分类根据开关元件
5、开通和关断时电压电流状态，分为零零电压电路电压电路和零电流电路零电流电路两大类。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和 零转换零转换PWM电路电路。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元基本开关单元导出具体电路。5.2软开关电路的分类图53基本开关单元的概念a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元5.2软开关电路的分类1）准谐振电路准谐振电路准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。特点特点
6、：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。分别介绍三类软开关电路5.2软开关电路的分类可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。图5-4 准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关
7、单元零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）5.2软开关电路的分类2）零开关PWM电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。零开关PWM电路可以分为：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中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。b)零电流开关PWM电路的基
8、本开关单元图55零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）5.2软开关电路的分类3）零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换PWM电路可以分为：特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中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。b）零电流转换PWM电路的基
9、本开关单元图56 零转换PWM电路的基本开关单元零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）a）零电压转换PWM电路的基本开关单元零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）5.3典型的软开关电路5.3.1 5.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 5.3.2 5.3.2 谐振直流环谐振直流环谐振直流环谐振直流环 5.3.3 5.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关移相全桥型零
10、电压开关PWMPWM电路电路电路电路 5.3.4 5.3.4 零电压转换零电压转换零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路电路电路5.3.1零电压开关准谐振电路1）电路结构以降压型降压型为例分析工作原理。假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。图5-5 零电压开关准谐振电路原理图5.3.1零电压开关准谐振电路选择开关S关断时刻为分析的起点。t0t1时段：t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电，uCr线性上升，同时
11、VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通。这一时段uCr的上升率：2）工作原理t0t1时段的等效电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图5-8零电压开关准谐振电路的理想波形图5-5 零电压开关准谐振电路原理图5.3.1零电压开关准谐振电路t1t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。t3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，
12、直到t4时刻uCr=0。t1t2时段的等效电路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图5-8零电压开关准谐振电路的理想波形图5-5 零电压开关准谐振电路原理图5.3.1零电压开关准谐振电路t4t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。t6t0时段：S为通态，VD为断态。缺缺点点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。SS(uCr)iSiLruVDt
13、0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图5-8零电压开关准谐振电路的理想波形图5-5 零电压开关准谐振电路原理图5.3.2谐振直流环l谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（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关的条件下。1）电路结构图 5-11 谐振直流环电路原理图由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路等效。图5-12谐振直流环电路的等效电路5.3.2谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图5-13谐振直流环电路的理想化波形图5-12谐
14、振直流环电路的等效电路t 0t1时段：t0时刻之前，开关S处于通态，iLrIL。t0时刻S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。t1t2时段：t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。t1时刻以后，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。2）工作原理5.3.2谐振直流环t2t3时段：uCr向Lr和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。t3t4时段：t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。t4t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，
15、S再次关断。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图5-13谐振直流环电路的理想化波形图5-12谐振直流环电路的等效电路电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压耐压的要求。5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特特点点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路1）移相全桥电路控制方式的特点特点：图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1
16、t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图5-15移相全桥电路的理想化波形在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1
17、iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图5-15移相全桥电路的理想化波形5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路2）工作过程：图 5-16 移相全桥电路在t0t1阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图5-15移相全桥电路的理想化波形t0t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。t1t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，uA不断下降，直
18、到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。t2t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。t3t4时段：t3时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图 5-15移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t
19、1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图5-15移相全桥电路的理想化波形t4t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t0t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。5.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图5-1
20、5移相全桥电路的理想化波形5.3.4零电压转换PWM电路1）工作过程：辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。t0t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。图5-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图5-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。5.3.4零电压转换PWM电路t1t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的
21、电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。t2t3时段：uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。图5-20 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路图5-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图5-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形5.3.4零电压转换PWM电路t3t4时段：t3时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时S1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主
22、开关S中的电流线性上升。t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中的电流iS=IL，电路进入正常导通状态。t4t5时段：t5时刻S关断。Cr限制了S电压的上升率，降低了S的关断损耗。图5-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图5-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形本章小结l本章的重点为：1）软开关技术通过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开关损耗和开关噪声问题。2）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PWM和零转换PWM三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。3）零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM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。