第八章电力电子技术软开关技术优秀PPT.ppt

第八章电力电子技术软开关技术第一页，本课件共有27页本章主要内容本章主要内容l8.1软开关的基本概念软开关的基本概念l8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l8.4软开关技术新进展软开关技术新进展第二页，本课件共有27页概述概述l现代电力电子装置的发展趋势现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求l电力电子电路的高频化电力电子电路的高频化是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最直接途径直接途径开关损耗增加，电磁干扰增大开关损耗增加，电磁干扰增大l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进一步提高开关频率进一步提高开关频率第三页，本课件共有27页8.1软开关的基本概念软开关的基本概念l硬开关硬开关开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著1.硬开关和软开关硬开关和软开关t0uiP0uituuiiP00硬开关降压型电路及理想波形硬开关降压型电路及理想波形硬开关导通和关断过程中实际电压和电流硬开关导通和关断过程中实际电压和电流a)b)第四页，本课件共有27页8.1软开关的基本概念软开关的基本概念l软开关软开关增加了增加了Lr、Cr，与，与L、C相比小得多，相比小得多，S增加了反并联增加了反并联VDS软开关电路软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路降压型零电压开关准谐振电路)使开通前电压先降到零，使开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声1.硬开关和软开关硬开关和软开关降压型零电压开关准谐振电路及理想波形降压型零电压开关准谐振电路及理想波形软开关导通和关断过程中实际电压和电流软开关导通和关断过程中实际电压和电流Pui0uitt0uiP0uitt0uua)b)第五页，本课件共有27页8.1软开关的基本概念软开关的基本概念l零电压开通零电压开通开关开通前其两端电压为零，开通时不会产生损耗和噪声开关开通前其两端电压为零，开通时不会产生损耗和噪声l零电流关断零电流关断开关关断前其电流为零，关断时不会产生损耗和噪声开关关断前其电流为零，关断时不会产生损耗和噪声l零电压关断零电压关断与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗l零电流开通零电流开通与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗l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，靠电路中的谐振来实现。开关，靠电路中的谐振来实现。2.零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关第六页，本课件共有27页8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l分类分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路电流电路根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电路电路和零转换和零转换PWM电路电路l准谐振电路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流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零电压开关多谐振电路用于逆变器的谐振直流环节用于逆变器的谐振直流环节l准谐振准谐振电路中电压或电流的波形电路中电压或电流的波形 为正弦半波为正弦半波第七页，本课件共有27页8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l优势优势开关损耗和开关噪声都大大下降开关损耗和开关噪声都大大下降l问题问题谐振电压峰值很高，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交换，造成电谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率交换，造成电路导通损耗加大路导通损耗加大谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲频率调制方式来控制频率调制方式来控制第八页，本课件共有27页8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l零开关零开关PWM电路电路 引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后关过程前后零电压开关零电压开关PWM电路电路零电流开关零电流开关PWM电路电路同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频率固定的率固定的PWM控制方式控制方式零电压开关零电压开关PWMPWM电路电路零电流开关零电流开关PWMPWM电路电路 第九页，本课件共有27页8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l零转换零转换PWM电路电路 采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态，无功功率交换被削减到最小态，无功功率交换被削减到最小零电压转换零电压转换PWM电路电路零电流转换零电流转换PWM电路电路零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路零电流转换零电流转换PWMPWM电路电路第十页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路l谐振直流环谐振直流环l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l零电压转换零电压转换PWM电路电路第十一页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l电路构成电路构成降压型电路降压型电路L和和C很大，等效为电流源和电压源，并很大，等效为电流源和电压源，并忽略电路中损耗忽略电路中损耗l工作原理工作原理以以S关断时刻为分析起点关断时刻为分析起点t0t1 t0前，前，S导通，导通，VD断态断态,uCr=0,iLr=IL t0时，时，S关断，关断，Cr使使S关断后电压上升减关断后电压上升减缓，则缓，则S关断损耗减小，关断损耗减小，S关断后，关断后，VD未导未导通通1.零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu第十二页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t0t1 Lr+L向向Cr充电，充电，L等效为电流源，等效为电流源，uCr线线性上升，性上升，uVD下降下降 t1时，时，uVD=0，VD导通，导通，uCr上升率上升率t1t2 t1时，时，VD导通，导通，L续流，续流，Cr、Lr、Ui形成形成谐振回路，谐振回路，Lr对对Cr充电，充电，uCr上升，上升，iLr下降下降 t2时，时，iLr下降到下降到0，uCr达到谐振峰值达到谐振峰值 1.零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi第十三页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t2t3 t2后，后，Cr向向Lr放电，放电，iLr变向，变向，uCr下降下降 t3时，时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐振达到反向谐振峰值峰值t3t4 t3后，后，Lr向向Cr反向充电，反向充电，uCr下降下降 t4时，时，uCr=0t1t4间的谐振方程间的谐振方程1.零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi第十四页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t4t5 uCr箝位于箝位于0，uLr=Ui，iLr线性衰减线性衰减 t5时，时，iLr=0。该段。该段uS=0，则使，则使S开通，开通，不会产生开通损耗不会产生开通损耗t5t6 S通态，通态，iLr线性上升线性上升 t6时，时，iLr=IL，VD关断关断t4t6电流电流iLr变化率变化率t6t0：S通态，通态，VD断态断态1.零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi第十五页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路luCr(即开关即开关S电压电压uS)luCr的谐振峰值，即开关的谐振峰值，即开关S的峰值电压的峰值电压Upl零电压开关准谐振电路实现软开关条件零电压开关准谐振电路实现软开关条件如正弦项幅值小于如正弦项幅值小于Ui，uCr不能谐振到不能谐振到0，S不可能实现零电不可能实现零电压开通压开通l谐振电压峰值高于输入电压谐振电压峰值高于输入电压2倍，倍，S耐压必须提高，增加了耐压必须提高，增加了电路成本，降低了可靠性电路成本，降低了可靠性1.零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路第十六页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l背景及应用背景及应用用于变频器用于变频器作用在交作用在交-直直-交变换电路的中间直流交变换电路的中间直流环节，通过引入谐振，使逆变桥中所环节，通过引入谐振，使逆变桥中所有开关工作在零电压开通条件下有开关工作在零电压开通条件下电压型逆变器为感性负载，在谐振电压型逆变器为感性负载，在谐振过程中逆变电路开关状态不变，负过程中逆变电路开关状态不变，负载电流为常量载电流为常量l工作原理工作原理以以S关断时刻为分析起点关断时刻为分析起点2.谐振直流环谐振直流环第十七页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t0t1 t0前，前，iLrIL，S导通导通 t0时时,S关断，发生谐振，关断，发生谐振，Lr对对Cr充电，充电，uCr升高升高 t1时，时，uCr=Uit1t2 t1时，时，uCr=Ui，ULr=0，iLr达到峰值达到峰值 t1后，后，Lr继续向继续向Cr充电并不断减小，充电并不断减小，uCr又升高又升高 t2时刻时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值达到谐振峰值2.谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO第十八页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t2t3 t2后，后，Cr向向Lr和和L放电，放电，iLr降低至降低至0后反向，后反向，Cr继续向继续向Lr放电，放电，iLr反向增加反向增加 t3时，时，uCr=Uit3t4 t3时，时，iLr达到反向谐振峰值后衰减，达到反向谐振峰值后衰减，uCr继续下降继续下降 t4时，时，uCr=0，VDS导通，导通，uCr被箝位于被箝位于0t4t0 S导通，导通，iLr线性上升，线性上升，t0时刻，时刻，S再次再次关断关断luCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求谐振峰值高增加对开关的耐压要求2.谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO第十九页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l电路构成电路构成增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通l控制特点控制特点一个一个TS内，每一开关导通时间都略小于内，每一开关导通时间都略小于TS/2，关断略大于，关断略大于TS/23.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经过一同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经过一定死区时间定死区时间超前桥臂超前桥臂S1和和S2：S1波形比波形比S4超前超前0TS/2；滞后桥臂；滞后桥臂S3和和S4：S2比比S3超前超前0TS/2第二十页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t0t1 S1与与S4导通，导通，t1时刻时刻S1关断关断t1t2 t1时，时，S1关断后，关断后，Cs1、Cs2与与Lr、L构成谐振回路，谐振初始构成谐振回路，谐振初始uA(t1)=Ui。谐振。谐振时，时，uA不断下降至不断下降至0，VDS2导通，导通，iLr通过通过VDS2续流续流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rr第二十一页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t2t3 t2时，开通时，开通S2，VDS2导通使导通使S2开通开通电压为零，无开关损耗，且电路状态不电压为零，无开关损耗，且电路状态不变，直到变，直到t3时时S4关断关断t3t4 t3时，时，S4关断后，关断后，Cs3、Cs4与与Lr构成构成谐振回路，谐振中谐振回路，谐振中iLr不断减小，不断减小，uB不断不断上升，直到上升，直到VDS3导通导通 t4时，时，S3开通，由于开通，由于VDS3导通使得导通使得在零电压下开通，开通损耗为零在零电压下开通，开通损耗为零3.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rr第二十二页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t4t5 S3开通后，开通后，iLr继续减小到继续减小到0后反向，后反向，不断增大，不断增大，t5时时iLr=IL/kT，iVD1下降到下降到0而而关断，电流关断，电流IL全部转移到全部转移到VD2t0t5 是是Ts的一半，而在另一半的一半，而在另一半t5t0时时段中，工作过程与该段完全对称段中，工作过程与该段完全对称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rr第二十三页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l背景及电路构成背景及电路构成电路简单、效率高，广泛用于功率电路简单、效率高，广泛用于功率因数校正电路、斩波器等因数校正电路、斩波器等以升压电路为例以升压电路为例假设电感假设电感L、电容、电容C很大，可以忽略很大，可以忽略电流和输出电压波动，还忽略元件电流和输出电压波动，还忽略元件与线路中损耗与线路中损耗4.零电压转换零电压转换PWM电路电路辅助开关辅助开关S1超前于主开关超前于主开关S开通，开通，S开通后开通后S1关断，主要谐振过程集关断，主要谐振过程集中在中在S开通前后开通前后l工作原理工作原理t0t1 S1比比S先开通，此时先开通，此时VD尚导通，尚导通，uLr=Uo，iLr线性增长，线性增长，iVD下降，到下降，到t1时，时，iLr=IL，iVD=0，VD关断关断第二十四页，本课件共有27页8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l工作原理工作原理t1t2 Lr与与Cr构成谐振回路，构成谐振回路，L很大使谐振中电很大使谐振中电流不变；谐振中流不变；谐振中iLr增加而增加而uCr下降下降 t2时，时，uCr=0，VDS导通，导通，uCr被箝位于被箝位于0，而而iLr保持不变保持不变t2t3 uCr=0和和iLr不变的状态保持到不变的状态保持到t3时刻时刻S开通、开通、S1关断关断t3t4 t3时，时，S开通，开通，uS=0，无开关损耗。同，无开关损耗。同时时S1关断，关断，Lr通过通过VD1向负载放能，向负载放能，iLr下降，下降，iS线性上升线性上升 t4时时,iLr=0,VD1关断关断,iS=IL,正常导通正常导通4.零电压转换零电压转换PWM电路电路SS1uSiLriS1uS1iVDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO第二十五页，本课件共有27页要点总结要点总结l软开关的基本概念软开关的基本概念l软开关分类软开关分类l四种典型软开关电路，包括电路构成、电路作四种典型软开关电路，包括电路构成、电路作用和工作原理用和工作原理第二十六页，本课件共有27页作业作业l第第8 8章：章：2 2、3 3、4(1954(195页页)第二十七页，本课件共有27页