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1、第7章 软开关技术 引言引言引言引言 7.17.1 软开关的基本概念软开关的基本概念软开关的基本概念软开关的基本概念 7.2 7.2 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 7.37.3 典型的软开关电路典型的软开关电路典型的软开关电路典型的软开关电路 本章小结本章小结本章小结本章小结1 1第7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。2 27.1软开
2、关的基本概念 7.1.17.1.1 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 7.1.27.1.2 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3 37.1.1硬开关和软开关硬开关：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71硬开关的开关过程uiP0uituuiiP004 47.1.1硬开关和软开关软开关：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、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。ui
3、P0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图72软开关的开关过程5 57.1.2零电压开关和零电流开关零零电压开通电压开通 开关开关开通开通开通开通前其两端前其两端电压电压电压电压为零为零开通时不会产生损耗和噪声。开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断零电流关断 开关开关关断关断关断关断前其前其电流电流电流电流为零为零关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断零电压关断 与开关与开关并联并联并联并联的的电容电容电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。降低关断损耗。零电流开通零电流开通 与开关与
4、开关串联串联串联串联的的电感电感电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。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。6 67.2软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零零零零电压电路电压电路电压电路电压电路和和零电流电路零电流电路零电流电路零电流电路两大类。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准谐振电路准谐振电路、零开关零开关零开关零开关PW
5、MPWM电路电路电路电路和和 零转换零转换零转换零转换PWMPWM电路电路电路电路。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，可以从同电路，可以从基本开关单元基本开关单元基本开关单元基本开关单元导出具体电路导出具体电路。7 77.2软开关电路的分类图73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8 87.2软开关电路的分类 1 1）准谐振电路准谐振电路 准谐振电路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准谐振电路中电压或电流的波形为正
6、弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。特点特点特点特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；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；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能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Pulse Frequency ModulationPFMModulationPFM）方式来控制。方式来控
7、制。分别介绍三类软开关电路9 97.2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7-4 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-Switchin
8、g Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）10107.2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电路的基本开关单元图75 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-V
9、oltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）11117.2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电路的基本开关单元图76 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（
10、Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）12127.3典型的软开关电路 7.3.1 7.3.1 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 7.3.2 7.3.2 谐振直流环谐振直流环谐振直流环谐振直流环 7.3.3 7.3.3 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电压开关PWMPWM电路电路电路电路 7.3.4 7.3.4 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13137.3.1零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
11、。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7-7 零电压开关准谐振电路原理图14147.3.1零电压开关准谐振电路选择开关选择开关S S关断时刻为分析的起点。关断时刻为分析的起点。t t0 0 t t1 1时段：时段：t t0 0之前，开关之前，开关S S为通态，为通态，二极管二极管VDVD为断态，为断态，u uCrCr=0=0，i iL Lr r=I=IL L，t t0 0时刻时刻S S关断，与其并联的电容关断，与其并联的电容C Cr r使使S S关断后电压上升减缓，因此关断后电压上升减缓，因此S S的关断损耗减小。的关断损耗减小。S S关断后，关断后，VDVD
12、尚未导通。电感尚未导通。电感L Lr r+L L向向C Cr r充电，充电，u uC Cr r线性上升，同时线性上升，同时VDVD两端电压两端电压u uVDVD逐渐下降，直到逐渐下降，直到t t1 1时刻，时刻，u uVDVD=0=0，VDVD导通。这一时段导通。这一时段u uC Cr r的上升率：的上升率：2）工作原理t0t1时段的等效电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7 零电压开关准谐振电路原理图15157.3.1零电压开关准谐振电路t t1 1 t t2 2时段：时段：t t1 1时刻二极管时
13、刻二极管VDVD导导通，电感通，电感L L通过通过VDVD续流，续流，C Cr r、L Lr r、U Ui i形成谐振回路。形成谐振回路。t t2 2时刻，时刻，i iL Lr r下降到零，下降到零，u uC Cr r达到谐振峰值。达到谐振峰值。t t2 2 t t3 3时段：时段：t t2 2时刻后，时刻后，C Cr r向向L Lr r放放电，直到电，直到t t3 3时刻，时刻，u uC Cr r=U Ui i，i iL Lr r达达到反向谐振峰值。到反向谐振峰值。t t3 3 t t4 4时段：时段：t t3 3时刻以后，时刻以后，L Lr r向向C Cr r反向充电，反向充电，u uC
14、Cr r继续下降，直到继续下降，直到t t4 4时刻时刻u uC Cr r=0=0。t1t2时段的等效电路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7 零电压开关准谐振电路原理图16167.3.1零电压开关准谐振电路t t4 4 t t5 5时段：时段：u uC Cr r被箝位于零，被箝位于零，i iL Lr r线性衰减，直到线性衰减，直到t t5 5时刻，时刻，i iL Lr r=0=0。由于此时开关由于此时开关S S两端电压为零，两端电压为零，所以必须在此时开通所以必须在此时开通S S，才不，才不会产生开
15、通损耗。会产生开通损耗。t t5 5 t t6 6时段：时段：S S为通态，为通态，i iL Lr r线性上线性上升，直到升，直到t t6 6时刻，时刻，i iL Lr r=I IL L，VDVD关关断。断。t t6 6 t t0 0时段：时段：S S为通态，为通态，VDVD为断为断态。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)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7 零电压开关准谐振电路原理图17177.3.2谐振直流环谐振直流环电路应用于交流谐振直流环电路应用于交流
16、-直流直流-交流变换电路的中间交流变换电路的中间直流环节直流环节（DC-LinkDC-Link）。通通过在直流环节中引入谐振，过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。工作在软开关的条件下。1）电路结构图 7-11 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 7-12 谐振直流环电路的等效电路 18187.3.2谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 t 0
17、t1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19197.3.2谐振直流环t t2 2 t t3 3时段：时段：u uC Cr r向向L Lr r和和L L放电，放电，i iL Lr r降低，到零后反向，直降低，到零后反向，直到到t t3 3时刻时刻 u uC Cr r=U Ui i。t t3 3 t t4 4时段：时段：t t3 3时刻，时刻，i iL Lr r达到达到反向
18、谐振峰值，开始衰减，反向谐振峰值，开始衰减，u uC Cr r继续下降，继续下降，t t4 4时刻，时刻，u uC Cr r=0=0，S S的反并联二极管的反并联二极管VDVDS S导通，导通，u uC Cr r被箝位于零。被箝位于零。t t4 4 t t0 0时段：时段：S S导通，电流导通，电流i iL Lr r线性上升，直到线性上升，直到t t0 0时刻，时刻，S S再次关断。再次关断。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 7-12 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。20207.3.3
19、移相全桥型零电压开关PWM电路移移相相全全桥桥电电路路是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的软软开开关关电电路路之之一一，它它的的特特特特点点点点是是电电路路简简单单。同同硬硬开开关关全全桥桥电电路路相相比比，仅仅增增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路21217.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路1 1）移移相相全全桥桥电电路路控控制制方方式式的的特点特点特点特点：图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t
20、6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 7-15 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。22227.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 互互为为对对角角的的两两对对开开关关S S1 1-S S4 4和和S S2 2-S-S3 3，S S1 1的的波波形形比比S S4 4超超前前00T TS S/2/2时时间间，而而S S2 2的的波波形形比比S S3 3超超前前00T TS S/2/2时时间间，因因此此称
21、称S S1 1和和S S2 2为为超超前前的的桥桥臂臂，而而称称S S3 3和和S S4 4为为滞滞后后的的桥臂。桥臂。图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 7-15 移相全桥电路的理想化波形23237.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 2 2）工作过程：工作过程：图 7-16 移相全桥电路在t0t1阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0
22、t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 7-15 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。2424 t t3 3 t t4 4时段：时段：t t3 3时刻开关时刻开关 S S4 4关断后，关断后，变压器二次侧变压器二次侧VDVD1 1和和VDVD2 2同时导通，同时导通，变压器一次侧和
23、二次侧电压均为变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此零，相当于短路，因此C Cs s3 3、C Cs s4 4与与L Lr r构成谐振回路。构成谐振回路。L Lr r的电流不断减的电流不断减小，小，B B点电压不断上升，直到点电压不断上升，直到S S3 3的的反并联二极管反并联二极管VDVDS3S3导通。这种状导通。这种状态维持到态维持到t t4 4时刻时刻S S3 3开通。因此开通。因此S S3 3为为零电压开通。零电压开通。7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图 7-17移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t
24、1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 7-15 移相全桥电路的理想化波形2525 t t4 4 t t5 5时段：时段：S S3 3开通后，开通后，L Lr r的电的电流继续减小。流继续减小。i iL Lr r下降到零后反下降到零后反向增大，向增大，t t5 5时刻时刻i iL Lr r=I IL L/k kT T，变变压器二次侧压器二次侧VDVD1 1的电流下降到的电流下降到零而关断，电流零而关断，电流I IL L全部转移到全部转移到VDVD2 2中。中。t t0 0 t t5 5是是开关周期的一半，另开关周期的一半，另一半工作过程
25、完全对称。一半工作过程完全对称。7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 7-15 移相全桥电路的理想化波形26267.3.4零电压转换PWM电路1 1）工作过程：工作过程：辅助开关辅助开关S S1 1超前于主开关超前于主开关S S开通，开通，S S开通后开通后S S1 1关断。关断。t t0 0 t t1 1时段：，时段：，S S1 1导通，导通，VDVD尚处尚处于通态，电感于通态，电感
26、L Lr r两端电压为两端电压为U Uo o，电流电流i iL Lr r线性增长，线性增长，VDVD中的电流中的电流以同样的速率下降。以同样的速率下降。t t1 1时刻，时刻，i iL Lr r=I IL L，VDVD中电流下降到零，关中电流下降到零，关断。断。图7-19图7-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图7-19 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。27277.3.4零电压转换PWM电路 t t1 1 t t2 2时段：时段：L Lr
27、r与与C Cr r构成谐振回构成谐振回路，路，L Lr r的电流增加而的电流增加而C Cr r的电压的电压下降，下降，t t2 2时刻时刻u uC Cr r=0=0，VDVDS S导导通，通，u uC Cr r被箝位于零，而电流被箝位于零，而电流i iL Lr r保持不变。保持不变。t t2 2 t t3 3时时段段：u uC Cr r被被箝箝位位于于零零，而而电电流流i iL Lr r保保持持不不变变，这这种种状状态态一一直直保保持持到到t t3 3时时刻刻S S开开通通、S S1 1关断。关断。图 7-20 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路图7-18 升压型零电压转换PW
28、M电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形28287.3.4零电压转换PWM电路 t t3 3 t t4 4时时段段：t t3 3时时刻刻S S开开通通时时，为为零零电电压压开开通通。S S开开通通的的同同时时S S1 1关关断断，L Lr r中中的的能能量量通通过过VDVD1 1向向负负载载侧侧输输送送，其其电电流流线线性性下下降降，主主开开关关S S中中的的电电流流线线性性上上升升。t t4 4时时刻刻i iLrLr=0=0，VDVD1 1关关断断，主主开开关关S S中中的
29、的电电流流i iS S=I IL L，电电路路进进入入正正常常导导通通状状态。态。t t4 4 t t5 5时时段段：t t5 5时时刻刻S S关关断断。C Cr r限限制制了了S S电电压压的的上上升升率率，降降低了低了S S的关断损耗。的关断损耗。图7-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形2929本章小结本章的重点为：本章的重点为：1 1）软软开开关关技技术术通通过过在在电电路路中中引引入入谐谐振振改改善善了了开开关关的的开开关关条条件件，大
30、大大大降降低低了了硬硬开开关关电电路路存存在在的的开开关关损损耗耗和和开关噪声问题。开关噪声问题。2 2）软软开开关关技技术术总总的的来来说说可可以以分分为为零零电电压压和和零零电电流流两两类类。按按照照其其出出现现的的先先后后，可可以以将将其其分分为为准准谐谐振振、零零开开关关PWMPWM和和零零转转换换PWMPWM三三大大类类。每每一一类类都都包包含含基基本本拓拓扑和众多的派生拓扑。扑和众多的派生拓扑。3 3）零零电电压压开开关关准准谐谐振振电电路路、零零电电压压开开关关PWMPWM电电路路和和零零电电压压转转换换PWMPWM电电路路分分别别是是三三类类软软开开关关电电路路的的代代表表；谐谐振振直直流流环环电电路路是是软软开开关关技技术术在在逆逆变变电电路路中中的的典典型型应用。应用。3030