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1、第第7 7章章 软开关技术软开关技术7.1 谐振变换电路概论7.2 谐振变换电路基础7.3 准谐振DC/AC电路7.4 移相全桥型零电压开关PWM电路 返回1第第7 7章章 软开关技术软开关技术7.5 零电流转换PWM DC/DC变换电路7.6 零电压转换PWM DC/DC变换电路 本章小结2本章内容本章介绍典型谐振变换电路的特点和工作原理。主要内容包括软开关技术的基本概念、谐振变换电路的分类和特点；谐振电路的基本理论及电压型串联谐振变换电路分析；准谐振电路；移相全桥型零电压开关PWM电路的原理；Boost型零转换PWM DC/DC 变换电路的特点、工作原理和设计方法。3本章重点掌握软开关技术
2、的基本概念；掌握各类谐振变换电路的特点和工作原理。返回47.1 7.1 谐振变换电路概论谐振变换电路概论7.1.1 硬开关与软开关7.1.2 谐振变换电路的分类及特点57.1.1 7.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关l开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致开关损耗l电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声硬开关a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程图7-1 硬开关的开关过程典型波形a)uuiitt00Pb)uuii0tt0P6软开关软开关在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为
3、零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程附图7-1 软开关的开关过程7零电压开关（零电压开通）零电压开关（零电压开通）使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声零电流开关（零电流关断）零电流开关（零电流关断）使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声零电压关断零电压关断与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度，降低关断损耗零电流开通零电流开通与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速度，降低开通损耗87.1 7.1 谐振变换电路概论谐振变换电路概论7.1.1 硬开关与软
4、开关7.1.2 谐振变换电路的分类及特点 9 7.1.2 7.1.2 谐振变换电路的分类及特点谐振变换电路的分类及特点根据是零电压开通还是零电流关断零电压电路零电流电路根据软开关技术发展的历程全谐振型电路准谐振电路零开关PWM电路零转换PWM电路谐振型直流环节逆变电路。10a）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图 7-2 基本开关单元的概念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导出具体电路111 全谐振型电路负载R与LC组成的负载谐振型变换电路串联谐振变换电路并联谐振变换电路分为特点特点在
5、谐振型变换电路中，谐振元件在整个开关周期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换电路输出性能与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方法调节输出电压和输出功率滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。122 准谐振电路软开关技术的一次飞跃零电压开关准谐振电路零电流开关准谐振电路零电压开关多谐振电路a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元c）零电压开关多谐振电路基本开关单元图 7-3 准谐电路的基本开关单元SVDLrLCr1Cr2c）SVDLrLCrb）SLrCrVDLa）分为13准
6、谐振准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波优点优点 l 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降缺点缺点谐振电压峰值很高，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，电路只能采用脉冲频率调制方式来控制14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电压开关PWM电路零电流开关PWM电路分为a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元图 7-4零电压开关PWM电路的基本开关单元 SLrCrVDLS1a）SVDLrLCrS1b）3零开关PWM电路15 零开关PWM电路在开
7、关器件开通和关断时，开关器件工作在零电压或零电流开关方式；其余时间，开关器件工作在PWM状态优点优点 l电压和电流基本是方波l开关器件承受的电压明显降低。l电路可采用开关频率固定的PWM控制 缺点缺点要承受很高的电压 164 零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联分为零电流转换PWM电路零电压转换PWM电路SLrVDLS1CrVD1a)LrCrS1SVDVD1Lb)a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元图 7-5零转换PWM电路的基本开关单元 17零转换PWM电路在保留零开关PWM电路的优点基础上，还有如下特点：在实现软开关的
8、同时又不增加开关器件的电压电流应力；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并从零负载到满载都能工作在软开关状态；开关损耗最小。与以往软开关技术相比，零转换PWM技术更适合高电压、大功率的变换电路。185谐振型直流环节逆变电路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）。它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图7-6 谐振直流环电路原理图LrUiSCrVDS图7-6为用于电压型逆变器的谐振直流环电路它用一个开关S就可使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下返回197.2 7.2 谐振变换电路基
9、础谐振变换电路基础7.2.1 RLC串联谐振电路7.2.2 RLC并联谐振电路7.2.3 电压型串联谐振逆变电路207.2.1 RLC7.2.1 RLC串联谐振电路串联谐振电路 含有动态元件的正弦稳态电路，当等效电抗含有动态元件的正弦稳态电路，当等效电抗X X0 0，即电压与电流同相，电路呈电阻性。电路的这即电压与电流同相，电路呈电阻性。电路的这种特殊现象（工作状态）称为谐振。发生谐振时的种特殊现象（工作状态）称为谐振。发生谐振时的电源频率称为电路的谐振频率。电源频率称为电路的谐振频率。RLC串联谐振电路21因此，R、L、C串联电路发生谐振的条件是其电抗X(0)=0,即 ImZ（j）=0,或a
10、rgZ(j)=0，（7-1）式中Z（j）为该串联电路阻抗，即有 （7-2）0为R、L、C串联电路的谐振电路的谐振角频率，可求得 （7-3）串联谐振电路的特性阻抗为 （7-4）由上式可知，特性阻抗是一个由电路的L、C参数决定的量。22串联谐振电路的品质因数或谐振系数为 （7-5）它是一个无量纲的量，工程中简称为Q值。在无线电技术中，通常可根据Q值来讨论谐振电路的性能。串联谐振电路的导纳为 （7-6）或 （7-7）式中系数a为 （7-8）23当=0时，感抗0L等于容抗，R、L、C串联电路阻抗最小：Z0=R,最大导纳；电阻R上的电压VR等于电源电压，R、L、C串联电路电流最大，电流为正弦波且与电源电
11、压同相；电阻R上的功率（即输出功率）最大。24 根据式（7-5），串联谐振电路的品质因数Q为 （7-9）或 （7-10）故 VL=VC=QVR (7-11)即串联谐振时电感、电容电压为电源电压的Q倍，负载电阻电压VR等于电源电压V1。当0时，感抗0L与容抗不相等，R、L、C串联电路阻抗大于R，导纳小于1R，电流小于=0时的谐振电流i0,电阻R上的功率（即输出功率）也减小。当0时，感抗大于容抗，R、L、C串联电路呈感性；当0时，R、L、C串联电路呈容性。25图7-7（b）为按式（7-6）画出的导纳Y与频率的函数关系，称为频率响应特性当=0a时，根 据 式（7-6），导纳Y=Y0，电流i=i0,输
12、出功率比=0时的输出功率减少一半或衰减3dB,所以a被称为半功率（或3dB衰减）带宽系数。图7-7（b）中的2a区域称为半功率点或3dB点的频区图7-7RLC串联谐振电路及其频率响应267.2 7.2 谐振变换电路基础谐振变换电路基础7.2.1 RLC串联谐振电路7.2.2 RLC并联谐振电路7.2.3 电压型串联谐振逆变电路277.2.2 RLC7.2.2 RLC并联谐振电路并联谐振电路 图7-8（a）为最简单的R、L、C并联谐振电路，其导纳Y(S)和阻抗Z(S)可表示为 (7-12)Z(S)=1/Y(S)=(7-13)图7-8RLC并联谐振电路及其频率响应28或 （7-14）式中，谐振角频
13、率品质因数为 （7-15）当=0并联谐振时，感抗和容抗相等，它们均为电阻R的1/Q倍，因而电抗电流、电容电流均为负载电阻R电流（也就是电源输入电流）的Q倍。29当0时，感抗0L与容抗不相等，当0时，容抗小于感抗，电容电流大于电抗电流，LC并联相当于一个电容Ce,R、L、C并联电路呈容性；当0时，感抗小于容抗，电感电流大于电容电流，LC等效于一个电感Le，R、L、C并联电路呈感性。在上述两种情况下，在上述两种情况下，R R、L L、C C并联电路阻抗并联电路阻抗Z ZR R，导纳导纳Y Y1 1R R，一定的电源电流一定的电源电流i i在负载电阻在负载电阻R R上产生上产生的电压、功率都要小于的
14、电压、功率都要小于=0 0，Z Z=R R时的电压和功时的电压和功率。率。307.2 7.2 谐振变换电路基础谐振变换电路基础7.2.1 RLC串联谐振电路7.2.2 RLC并联谐振电路7.2.3 电压型串联谐振逆变电路31图7-9电压型串联谐振晶闸管全桥逆变电路图7.2.3 7.2.3 电压型串联谐振逆变电路电压型串联谐振逆变电路令晶闸管令晶闸管T1、T4和和 T2、T3轮流工轮流工作半个逆变周期，则作半个逆变周期，则AB两端可以两端可以得到宽度为得到宽度为180、幅值为、幅值为VD的交的交流方波电压。流方波电压。可以忽略谐波电流，近似认为负可以忽略谐波电流，近似认为负载电流为正弦基波电流。
15、载电流为正弦基波电流。在在t=0和和t=2时对时对T1、T4施加施加触发脉冲，在触发脉冲，在t=和和t=3时对时对T2、T3施加触发脉冲，施加触发脉冲，1当0时，该电路感抗小于容抗，电路呈容性，i(t)超前uAB(t)角，波形如图7-9（b）所示：l当0t，uAB0，uAuB;l当t2，uAB0，uAuB。l当0t(),i0,T1、T4导电，T2、T3截止。l当t=()时，i=0,T1、T4自然关断，D1、D4续流导电，使T1、T4端电压为零，这时仍有uAB0，vAvBl直到t=，T2、T3触发导通，负电流从D4、D1转到T3、T2，（T3、T2建立电流过程中，电压不为零而有开通损耗），uAB
16、0，T2、T3的导电一直延续到t=2，i从负变到正，T2、T3自然关断。i经D2、D3续流，直到t=2，T1、T4触发导通，正电流从D2、D3转到T1、T4。l因此，在uAB正半周的期间D1、D4导电，而在()期间T1、T4导电；l在uAB负半周的期间D2、D3导电，而在()期间T2、T3导电。即在uAB正半周T1（D1）、T4（D4）导电，而在uAB负半周T2（D2）、T3（D3）导电。i32 在t=，T1、T4电流为零关断后，为了使T1、T4能恢复其阻断正向电压的能力，安全可靠地关断，必须在其电流为零后的一段时间内，晶闸管继续承受反向电压而不加正向电压。安全关断所需反压时间。安全关断所需反
17、压时间t toffoff所对应的角度所对应的角度0 0被称为安全换流超前角，被称为安全换流超前角，0 0=t toffoff，t toffoff被称为安全换流时间被称为安全换流时间，t toffoff=0 0/。安全可靠换流的条件是安全可靠换流的条件是=t0=tofft=/toff=0/（7-167-16）33图7-9电压型串联谐振晶闸管全桥逆变电路图2.当当0时，该电路感抗大于时，该电路感抗大于容抗，电路呈感性，电流容抗，电路呈感性，电流i(t)滞滞后电压后电压uAB(t)一个相角一个相角，波形波形如图如图7-9（c）所示：所示：l在在t期间，期间，uAB0，uAuB,i(t)0，T1、T4
18、导电，导电，T2、T3截止。截止。l当当t时时,触发触发T2、T3，此时此时仍有仍有i 0，T1、T4仍在导电而仍在导电而不会自行关断，因而会引起短不会自行关断，因而会引起短路事故。路事故。l在在0情情况况下下，为为了了能能使使图图7-9（a）正正常常工工作作必必须须对对四四个个晶晶闸闸管管附附加加强强迫迫换换流流电电路路，在在t=时时强强迫迫关关断断T1、T4，在在t=2时时强强迫迫关关断断T2、T3。这这时时晶晶闸闸管管的的关关断断不不再再是是电电流流谐谐振振过过零零自自然然关关断断，因因而而会会有有较较大大的的关关断断损损耗耗。即即使使四四个个开开关关器器件件不不采采用用晶晶闸闸管管而而
19、采采用用自自关关断断器器件件能能使使电电路路换换流流正正常常工工作作，其其关关断断损损耗耗也也比比谐谐振振电电流流过零软关断时大得多。过零软关断时大得多。i34图7-9（a）电路采用晶闸管作开关器件时，只适于在0的容性情况下工作，以获得谐振电流过零时晶闸管的零电流软关断条件。这种电压型串联谐振逆变电路的特点是：l电压源供电，RLC串联谐振；l电路输出电压是矩形波，L、C的电压高于电源电压好几倍，负载变化时L、C的电压也很大，du/dt大；l电流接近正弦波，晶闸管自然关断，工作频率可以高一些，安全换流条件易实现，开关器件的触发频率（即运行频率）低时，容性更强、换流越安全，因此低频起动简单。u这种
20、电路适宜于起动频繁但负载较稳定、工作频率这种电路适宜于起动频繁但负载较稳定、工作频率较高的应用领域。较高的应用领域。返回357.3 7.3 准谐振准谐振DC/ACDC/AC电路电路7.3.1 零电压开关准谐振电路7.3.2 零电流关断准谐振电路367.3.1 7.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路u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u开关电路的工作过程按开关周期重复UiCrSVDsLrVDLCAR图7-11 零电压开关准谐振电路的理想化波形图7-10 零电压开关准谐振电路原理图37图7-11 零电压开关准谐振电路的理想化波形 t0t1时段：t0时刻
21、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尚未导通图7-10 零电压开关准谐振电路原理图UiCrSVDsLrVDLCAR38CrUi+uCrILA图7-12 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路电路等效为图7-12图7-11 零电压开关准谐振电路的理想化波形 电感Lr+L向Cr充电，uCr线性上升，同时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（7-177-17）39图7-11 零电压开关准谐振电路的理想化波形 t1t2时段：t1
22、时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路谐振过程中，Lr对Cr充电uCr不断上升，iLr不断下降，t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值图7-13 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路电路等效图为图7-1340图7-11 零电压开关准谐振电路的理想化波形t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，uCr不断下降，直到t3时刻，uCr=Ui，Lr两端电压为零，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，直到t4时刻uCr=0 t1到t4时段电路谐振过程的方程为（7-18）41图7-8 零电压开关准谐振
23、电路的理想化波形 t4t5时段：uCr被箝位于零，Lr两端电压为Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0 t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断 t4到t6时段电流iLr的变化率为 t6t0时段：S为通态，VD为断态（7-22）42零电压开关准谐振电路t1t4时段的谐振过程定量分析通过求解式（7-18）可得开关S的电压uS开关S承受的峰值电压（7-197-19）（7-207-20）43零电压开关准谐振电路实现软开关的条件（7-217-21）谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压须相应提高，这样会增加电路的成本，降低可靠性缺点缺点返回447
24、.3 7.3 准谐振准谐振DC/ACDC/AC电路电路7.3.1 零电压开关准谐振电路7.3.2 零电流关断准谐振电路45 7.3.2 7.3.2 零电流关断准谐振电路零电流关断准谐振电路1.1.零电流关断准谐振电路的工作原理零电流关断准谐振电路的工作原理u以降压式全波型ZCS准谐振电路为例来说明其基本的工作原理，如图7-14u图7-15是该电路在一个开关周期的工作波形。图中，uG为开关管的驱动电压波形,uT为开关管的端电压。7-15降压式全波ZCS准谐振电路工作波形图7-14 降压式全波ZCS准谐振电路46图7-15降压式全波ZCS准谐振电路工作波形工作过程工作过程全波型全波型ZCS准谐振电
25、路的工作过准谐振电路的工作过程如下：程如下：在在t0时刻，开关管加驱动电压，开时刻，开关管加驱动电压，开始导通；始导通；t0t1时段：时段：iL线性上升，线性上升，diL/dt=Vd/Lr;t1t3时段：时段：Cr与与Lr谐振，谐振，iL为正弦为正弦半波，在半波，在t2时刻达到峰值时刻达到峰值Ip,有有 Ip=I0+Vd/Zn (7-23)式中，式中，47图7-15降压式全波ZCS准谐振电路工作波形lt3t4时段：Lr续流，Cr放电，共同提供I0，在t4时刻iL下降为零；t4t6时段：Cr放电提供I0的同时，与Lr反向谐振，在t5时刻，iL达到反向谐振峰值，iL流过二极管，到t6时刻回到零。若
26、在t4或t6时刻，驱动电压消失而使S关断，为零电流开关，但是很难控制关断时刻。如果在t3t4时间内，使S关断，不是零电流关断，但由于iL=is很小，端电压又是零，关断损耗也为零。l由此可见，全波型ZCS准谐振电路不一定能实现ZCS，但是可以实现零电流开通，零电压关断，开关损耗也为零。482 2零电流关断准谐振电路的基本特性零电流关断准谐振电路的基本特性 通过以上分析，可以得出零电流关断准谐振电路有以下基本特性：1）谐振频率fr和角频率r由下式给出：(7-24)2)开关管可以实现零电流关断，开关损耗为零，效率高，EMI小，容易高频化。3)开关管的耐压定额不高，与硬开关PWM变换一样，由Vd决定。
27、4）开关管流过的电流峰值比较高。对降压型ZCS电路有：Ip=I0+Vd/Zn (7-25)对升压型ZCS电路有：Ip=(I0+Vd/Zn)V0/Vd (7-26)495)实现零电流关断的条件是负载电流满足：I0Vd/Zn （7-27）因此Ip2I0。6）以调频方式（PFM）工作实现稳定输出。对降压型全波电路，有：V0/Vd=fs/fr (7-28)对升压型全波电路，有：V0/Vd=1/（1-fs/fr）（7-29）式中，fs为实际开关频率。由以上两式可以看出：（1）当输入输出电压变化范围比较大时，要把输出电压V0滤得很平，纹波很小，需要很大的电感L、电容C。(2)V0/Vd只与 fs/fr有关
28、，与负载电阻RL无关，所以全波ZCS电路稳压精度高，负载调整率低。返回507.4 7.4 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电路电路移相全桥电路特点：电路简单,同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关元件，仅只增加一个谐振电感，就使电路四个开关器件都在零电压的条件下开通S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-图7-17移相全桥零电压开关PWM电路51图7-18移相全桥电路的理想化波形S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOO
29、OOO移相全桥电路控制方式特点移相全桥电路控制方式特点在开关周期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，上下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S1的波形比S4超前0TS/2时间，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S3和S4为滞后的桥臂52iLriLKr:1CS!S4LrLVD1UiU0+VDS2ARCS2图7-19 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图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，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐振
30、回路，谐振开始时uA（t1)=ui，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流t2t3时段：t2时刻VDS2处于导通状态，S2零电压开通电路工作过程电路工作过程53图7-20 移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路lt 3t4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iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BR
31、lt4t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后便反向，然后不断增大，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lt0t5时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期t5t0时段中，电路的工作过程与t0t5时段完全对称54零开关PWM电路具有PWM控制和准谐振电路的优点：在开关器件开通和关断时，开关器件工作在零电压或零电流开关方式；其余时间，开关器件工作在PWM状态。移相全桥型零电压开关PWM电路是目前应用最广泛的软开关电路之一。由于其输出功率大，全桥变换电路应用于各种类型的功率变换电路中。557.5 7.5 零电流转换零电流转换
32、PWM DC/DC PWM DC/DC 变换电路变换电路7.5.1 基本工作原理7.5.2 ZCT-PWM电路的主要参数设计56图7-21Boost型ZCT-PWM变换电路7.5 7.5 零电流转换零电流转换PWMPWM电路电路零电流转换PWM电路具有如下特点：1)定额PWM工作方式，输出滤波比准谐振变换容易;2）近似零电流关断（又是零电压关断），关断损耗很小，开通损耗也比硬开关PWM变换小得多，因此效率高，并且EMI小，易高频化;3）开关管电流、电压定额不高，几乎等于硬开关PWM变换。4）谐振能量小，谐振周期短，参数Lr、Cr小。iS57图7-21Boost型ZCT-PWM变换电路在图7-2
33、1中，Tr为主开关管，它与L和D共同担负变换和传送能量的任务。Tr1为辅助开关管，Lr、Cr谐振，使Tr实现ZCT。假如电感L很大，流过L的电流保持不变，即iL=Is,则各元件的工作电流波形如图7-22所示，7.5.1 7.5.1 基本工作原理基本工作原理iS587-22 Boost型ZCT-PWM变换电路工作波形7.5.1 7.5.1 基本工作原理基本工作原理电路工作过程电路工作过程分为如下三个阶段：1）谐振过渡阶段t0t5：t0时刻以前，主开关管Tr导通，Tr1关断，Vs加在L上，L储能，Cr初始电压uCr=-VC0。t0时刻，Tr1导通，Lr、Cr谐振，iLr上升。t1时刻，iLr上升到
34、IS，主开关管iS下降为0，iD仍为0。由于谐振关系，iLr继续上升，在t2时刻到达峰值，然后下降，在t3时刻下降到IS。l t1t3阶段流过Tr的电流为零，与Tr反并联的二极管导通。在t1t3内关断Tr，可保证Tr电流为零（但iS不为零），同时保证是零电压关断。lt3时刻后，iLr继续下降，iS=0，iD开始上升。在t4时刻iLr下降到零，iD上升到IS，主电路进入升压Boost）输出状态。在t3t4关断Tr1。ZCT变换的同时使二极管D实现零电流开通。2）Boost输出PWM工作阶段t4t5：Tr关断，D导通，IS为输出提供能量，由于uC r=VCV0,所以VC保持不变。3）主开关管开通准
35、谐振过渡阶段t5t7：在t5时刻，主开关管Tr导通，Tr上的电流iS变为IS，即主开关管Tr是硬导通。由于Cr上有正向电压，Lr、Cr通过Tr谐振，iLr为反向电流，因而，iS=IS+(-iLr),uCr 由正变为-VC,并且因Tr1阻断而保持不变。t7时刻后，Vs加在L上，L储能，与t0时刻以前一样，到下次Tr1导通为一个周期。597.5 7.5 零电流转换零电流转换PWM DC/DC PWM DC/DC 变换电路变换电路7.5.1 基本工作原理7.5.2 ZCT-PWM电路的主要参数设计607.5.2 ZCT-PWM7.5.2 ZCT-PWM电路的主要参数设计电路的主要参数设计 ZCT-P
36、WM变换电路的设计包括主电路和控制电路两部分,其设计步骤如下：1）根据输入、输出电压等级和输出功率，确定主电路拓扑形式，选择开关器件的种类，然后确定开关频率fs。2）选择主电路开关器件。二极管和主开关管的电流电压定额选择与硬开关PWM型变换电路类似。虽然在准谐振过渡阶段内，主开关管Tr 流过的电流比 硬开关PWM型要大一倍左右，但因时间短，故对Tr导通损耗的影响不大。辅助开关管电流定额一般取主开关管的1/3。613）设计主电抗L。如果主电感是普通的Boost电感，假设主开关管导通时间为TON,关断时间为TOFF，在Ton内iL的变化量允许值为IL，则由电感的基本公式可求出电感量L。即 （7-3
37、0）但对于用于软开关高频有源功率因数校正的Boost型ZCT-PWM变换电路，L的设计不能采用上述公式，需按工频电感设计。4）选定谐振周期TR，确定谐振参数Lr、Cr。设主开关管关断所需的时间为toff.，则可以选取谐振周期TR为 （7-31）选定TR后，还要确定谐振电流峰值irM。一般取 (7-32)式中，iLmin为一个开关周期内iL的最小值。62 根据LC串联谐振理论和以上两式确定的参数，再选取一个适当的电容电压峰值VC，可由式（7-31）和下式确定谐振元件参数Lr、Cr：（7-33）5)PWM控制电路设计。根据输入输出之间的关系确定占空比的变化范围，然后进行环路设计。选定PWM控制集成
38、芯片及其应用电路。需要指出，控制电路既要产生主开关管Tr的驱动脉冲，也要产生辅助开关管Tr1的驱动脉冲，并且使辅助开关管导通到主开关管关断的时间为（0.50.55）TR。637.67.6零电压转换零电压转换PWM DC/DC PWM DC/DC 变换电路变换电路 7.6.1 基本工作原理 7.6.2 ZVT-PWM电路的主要参数设计647.6 7.6 零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路图7-23Boost型ZVT-PWM变换电路零电压转换PWM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、DC-DC变换器、斩波器等657-24Boost型ZVT-PWM变换电路工作波形电路工作
39、过程电路工作过程电流转移阶段t0t1：Tr1先于Tr开通，D尚处于通态，电感Lr两端电压为Vo，电流iLr线性迅速增长，D中电流以同样的速率下降。直到t1时刻，iLr=IL，D中电流下降到零，自然关断7.6.1 Boost型型ZVT-PWM变换电路的基本变换电路的基本工作原理工作原理66谐振阶段（电压转换）t1t2：Lr与Cr构成谐振回路，谐振过程中Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr降为零，DS导通，uCr被箝位于零，iLr保持不变l主开关软开通阶段t2t3：大于IS的部分流经Tr中的反并联二极管，基本不消耗能量，0。所以在这段时间开通Tr都是零电压开通。图7-24Boost型ZV
40、T-PWM变换电路工作波形67图7-24Boost型ZVT-PWM变换电路工作波形l电流转移Tr阶段t3t4：Lr中的电流开始向Tr转换，该转换电流为线性电流。为了减小Tr1的关断损耗，要求在iS上升到IS后，再关断Tr1，这时Lr中的较小电流成分经输出负载释放掉。l储能阶段t4t5：恒流IS是理想情况，实际上iL稍微上升，电抗器L储存能量。l开关管关断阶段 t5t6：t5时刻，关断主开关管，由于谐振电容Cr线性充电的作用，uDS=uC慢慢上升,主开关管为零电压关断。到t6时刻，Cr充满电，uC=Vo,D导通。l续流输出阶段 t6t7:L续流，电抗器L储能通过D向负载RL输出能量，并对C o充
41、电。在t7时刻进入下一个开关周期。687.67.6零电压转换零电压转换PWM DC/DC PWM DC/DC 变换电路变换电路 7.6.1 基本工作原理 7.6.2 ZVT-PWM电路的主要参数设计697.6.2 Boost7.6.2 Boost型型ZVT-PWMZVT-PWM变换电路变换电路的主要参数设计的主要参数设计 和ZCT-PWM变换电路的设计类似，Boost型ZVT-PWM变换电路的设计主要包括主电路、ZVT电路和控制电路三部分。701确定主开关器件的类型和开关工作频率fs（或开关周期T=1/f）；2计算电感量L和输出滤波电容Co；（7-36）（7-37）式中,占空比，=TONfs=
42、(Vo-VS)/Vo;3按输出电压、电流选定主开关管参数定额和型号。71 （7-38）式中，tZVT零电压转化时间，计算公式如下：（7-39）4确定谐振参数Lr、Cr；假设二极管D的反向恢复时间为trr，再确定谐振电感电流峰值，则可由下式估算Lr：（7-40）谐振电容Cr的大小决定主开关管端电压的变化率。根据选定的开关频率和最大占空比，确定零电压转化时间tZVT,然后由式（7-34）（7-39）求出Cr。注意Cr要选等效串联阻抗小的无极性高频电容器。725PWM控制电路设计 控制电路的主要功能是根据输入、输出电压变化，产生主开关管Tr和辅助开关管Tr1的驱动脉冲，它们的相位要满足上面的要求。控
43、制电路还包括误差放大器、环路补偿校正环节保护电路和辅助电源等。返回73本本 章章 小小 结结本本章章讲讲述述了了软软开开关关技技术术的的基基本本概概念念、典典型型谐谐振变换电路的结构及其工作原理等。振变换电路的结构及其工作原理等。l与硬开关不同，软开关在零电压或零电流条件下开通、关断器件。l本章介绍了谐振电路的基本理论。谐振电路由负载R与LC组成。谐振现象是正弦稳态电路的一种特定的工作状况，发生谐振时，电路的容抗和感抗相等，此时电路输出功率最大。74本本 章章 小小 结结全谐振电路的特点是谐振元件在整个开关周期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换电路输出性能与负载关系很大。晶闸管电压型
44、串联谐振式变换电路能在0下自然换向、正常工作并能实现晶闸管的软关断。准谐振电路在硬开关单元上增加谐振电感和谐振电容，构成谐振开关单元来替代硬开关单元，实现软开关。准谐振电路工作在谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分，而其余时间都是运行在非谐振模式。准谐振电路分为零电流关断准谐振电路、零电压开通准谐振电路、零电压开关多谐振电路等。准谐振电路中主开关器件承受的电压、电流较高，且通常采用脉冲频率控制方式。75本本 章章 小小 结结零开关PWM电路采用辅助开关管配合LC参数的部分谐振使得开关管实现零电压开通或零电流关断，并只在主电路需要进行状态转换时开通辅助开关管启动谐振。零开关PWM电路具有PWM控制和准谐振电路的优点：在开关器件开通和关断时，开关器件工作在零电压或零电流开关方式；其余时间，开关器件工作在PWM状态。因此零开关PWM电路主要采用PWM技术控制输出电压、输出功率。本章分析了应用广泛的零开关PWM电路移相全桥型零电压开关PWM电路的工作原理。零转换PWM变换中谐振电感Lr及其辅助开关与主开关并联，并在主电路需要进行状态转换时才开通辅助开关管启动谐振，形成主开关管开关的零电压或零电流条件，改变主开关的开关条件。与零开关PWM电路不同，零转换PWM变换中辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流压力，功耗也较小。零转换PWM电路在大功率场合具有良好的应用前景。返回76