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第五章第五章直流斩波电路直流斩波电路1 1、定义：、定义：利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。2 2、分类：、分类：按按稳稳压压控控制制方方式式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。按按变变换换器器的的功功能能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。3 3、隔离方式：、隔离方式：在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。第一节第一节 直流斩波的工作原理直流斩波的工作原理工作原理：工作原理：图中T是可控开关，R为纯阻性负载。当开关T接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。电路中开关的占空比占空比 TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 输出电压平均值的改变输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。直流变换电路的常用工作方式主要有两种：直流变换电路的常用工作方式主要有两种：脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)(PFM)工作方式：工作方式：即维持ton不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)工作方式：工作方式：即维持TS不变，ton改变。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。第二节第二节 直流斩波器基本电路直流斩波器基本电路一、降压（一、降压（BuckBuck）变换电路）变换电路续流二极管续流二极管全控全控型电型电力器力器件件输入直输入直流电压流电压滤波电感滤波电感滤波电容滤波电容负载负载导通期间（导通期间（t tonon）：）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图(b)所示；关断期间（关断期间（t toffoff）：）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如(c)所示；由波形图(b)可以计算出输出电输出电压的平均值压的平均值为：忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系输入输出电流关系为：电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L L和和电容电容C C的数值。的数值。BuckBuck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流连续模式电感电流临界电感电流临界连续状态连续状态电感电流断流模式电感电流断流模式二、升压（二、升压（BoostBoost）变换电路）变换电路1)1)定义：定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫BoostBoost电路。全控型电力全控型电力器件开关器件开关储能储能保持输出电压保持输出电压2 2）原理图）原理图3 3）工作原理：）工作原理：t tonon工作期间：工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。t toffoff工作期间：工作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载R提 供能量。可得：式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在 0D1的变化范围内 UoUin T T导通时为电感导通时为电感L L储储能阶段，此时电源不向能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠负载提供能量，负载靠储于电容储于电容C C的能量维待工的能量维待工作。作。T T阻断时，电源和电阻断时，电源和电感共同向负载供电，同感共同向负载供电，同时给电容时给电容 C C充电。充电。总结：电感电流连续时总结：电感电流连续时BoostBoost变换器的工作分为两个变换器的工作分为两个阶段阶段:三、升降压（三、升降压（Buck-BoostBuck-Boost）变换电路）变换电路1)1)概述：概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。2 2）工作原理：）工作原理：ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和R反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：由 的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5DUd，为升压变换；当0D0.5时，U0uc时，T1和T4导通，T2和T3关断；2)当uruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。u ur ru uc c输出电压的平均值为：输出电压的平均值为：变换电路的输出电压可在 -Ud到+Ud之间变化:1）时，U0=0；2）时，U00；u ur ru uc c 1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能量，在I0 ，T1触发导通，T2 关断,u0=Ud；2)若 0或I00，U0始终为正值。第四节第四节 软开关技术软开关技术一、一、软开关的基本概念软开关的基本概念1 软开关及其特点软开关及其特点2 软开关的分类软开关的分类二、二、基本的软开关电路基本的软开关电路1 准谐振变换电路准谐振变换电路2 零开关零开关PWM变换电路变换电路3 零转换零转换PWM变换电路变换电路 概述概述 电力电子装置高频化电力电子装置高频化滤滤波波器器、变变压压器器体体积积和和重重量量减减小小，电电力力电电子子装装置小型化、轻量化。置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。开关损耗增加，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。进一步提高开关频率。进一步提高开关频率。1、硬开关：、硬开关：2 2）特点：）特点：）特点：）特点：不存在电压和电流的交迭。不存在电压和电流的交迭。降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。1.软开关及其特点软开关及其特点 2 2）特点：）特点：）特点：）特点：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声产生较大的开关损耗和开关噪声产生较大的开关损耗和开关噪声产生较大的开关损耗和开关噪声。2、软开关软开关：1 1）定义：）定义：）定义：）定义：开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。1 1）定义：）定义：）定义：）定义：开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通）开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通）开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通）开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通），在其电流不，在其电流不，在其电流不，在其电流不为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。图图6.1.1 Buck直流变换电路的硬开关特性直流变换电路的硬开关特性硬开关（开关过程）硬开关（开关过程）其中：其中：开关管开关管T开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开通时通时T两端电压两端电压u uT T很大，关断时流过很大，关断时流过T中的电流中的电流i iT T很大，从而很大，从而产生较大的开关损耗和开关噪声。产生较大的开关损耗和开关噪声。软开关过程（开关过程）软开关过程（开关过程）1）器件开通：）器件开通：器件两端电压器件两端电压uT首先下降为首先下降为零，然后施加驱动信号零，然后施加驱动信号ug，器件的电流，器件的电流iT才才开始上升；开始上升；2）器件关断）器件关断：通过某种控制方式使器件中通过某种控制方式使器件中电流电流iT下降为零后，撤除驱动信号下降为零后，撤除驱动信号ug，电压，电压uT才开始上升。才开始上升。图图6.1.2 软开关特性软开关特性1、理想软开关：、理想软开关：2、实际软开关、实际软开关:1）器件开通：）器件开通：对开关管施加驱动信号，电对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不大且迅速下降流上升的开通过程中，电压不大且迅速下降为零。为零。2）器件关断：）器件关断：撤除驱动信号，电流下降的撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。关断过程中，电压不大且上升很缓慢。(图图6.1.2 b)(图图6.1.2 a)2、根据软开关技术发展的历程软开关电路、根据软开关技术发展的历程软开关电路 可分为：可分为：1）准谐振变换电路）准谐振变换电路 2）零开关）零开关PWM变换电路变换电路 3）零转换）零转换PWM变换电路变换电路1、根据开关元件开通和关断时电压电流状态，、根据开关元件开通和关断时电压电流状态，适应于适应于 DC/DC和和DC/AC变换器的软开关技术变换器的软开关技术 大体上可分为两类：大体上可分为两类：l 1）零电压开关（）零电压开关（ZVS）l 2）零电流开关（零电流开关（ZCS）2.基本的软开关电路基本的软开关电路 1、准谐振变换电路准谐振变换电路1）零电压开关准谐振变换电路（）零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC）2）零电流开关准谐振变换电路（）零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）3 3）零电压多谐振开关电路（）零电压多谐振开关电路（ZVS MRC）2、零开关零开关PWM变换电路变换电路 1）零电压（开通）开关）零电压（开通）开关PWM变换电路（变换电路（ZVS PWM）2）零电流（关断）开关）零电流（关断）开关PWM变换电路（变换电路（ZCS PWM）3、零转换、零转换PWM变换电路变换电路 1）零电流转换开关）零电流转换开关PWM变换电路（变换电路（ZCT PWM）2）零电压转换开关）零电压转换开关PWM变换电路（变换电路（ZVT PWM）3）准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此）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。称之为准谐振。2 2）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化 而改变，只能采用脉冲频率调制而改变，只能采用脉冲频率调制而改变，只能采用脉冲频率调制而改变，只能采用脉冲频率调制(PFM)(PFM)调控输出电调控输出电调控输出电调控输出电 压和输出功率，即压和输出功率，即压和输出功率，即压和输出功率，即调频方式调频方式调频方式调频方式。1 1）变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而 不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件 （如开关管（如开关管（如开关管（如开关管T T或二极管或二极管或二极管或二极管D D）的开关特性，）的开关特性，）的开关特性，）的开关特性，l电路特点：电路特点：图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)开关管开关管T与谐振电容与谐振电容Cr并联，并联，谐振电感谐振电感Lr与与T串联，如果滤波串联，如果滤波电感电感Lf足够大，则输出负载电足够大，则输出负载电流为恒定值流为恒定值I。假定假定t0,T处于通态，处于通态，iT=iL=I0，uT=ucr=0，续流二极续流二极管管D截止。截止。在在t=0时撤除时撤除T的驱动信号的驱动信号ug，把一个开关周期把一个开关周期Ts中的通、断中的通、断过程可分为过程可分为5个开关状态，个开关状态，其电其电压、电流波形如图压、电流波形如图6.2.1（b）（e）所示。所示。1 1、零电压开关准谐振变换电路、零电压开关准谐振变换电路、零电压开关准谐振变换电路、零电压开关准谐振变换电路图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)1)1)零电压开关准谐振变换电路零电压开关准谐振变换电路零电压开关准谐振变换电路零电压开关准谐振变换电路 开关状态：开关状态：开关状态：开关状态：(1)t0t1阶阶段段：t=0时时，ug=0，it从从I0减减小小，谐谐振振电电容容电电流流iC从从零零开开始始增增大大，iL=iC+it=I0 不不变变，负负载载电电流流I0从从开开关关管管T转转到到Cr。由由于于iT很很快快下下降降为为零零，而而uCr=uT还还很很小小，故故开开关关管管T软软关关断断，此此后后iC=IL=I0恒恒流流充充电到电到t=t1 时，时，uCr=uT=Ud。其中：其中：tt1时：时：uCr=uT t1后，后，iL对对Cr继续充继续充电电,uCrUd，iL=iC减小，续减小，续流二极管流二极管 D开始导电，开始导电，UAB=0，Lr、Cr构成串联构成串联谐振电路。谐振电路。当到串联谐振的当到串联谐振的1/4周期周期t2时刻，时刻，uCr谐振到峰值，谐振到峰值，iL=iC=0，此后，此后tt2，由于，由于uCrUd，iL反向，反向，Cr开始经开始经D和和Lr向电源向电源Ud放电。放电。(2)t1tt2阶段：阶段：t t2后后，Cr经经D和和Lr向向电电源源Ud放电。放电。uCr减小到减小到t=t3时时uCr=0(3)t2tt3阶段：阶段：(4)t3 t t4阶段：阶段：t=t3时时,Cr放放电电到到uCr=0 0，但但iL为为负负值值，故故二二极极管管D1开开始始导导电电，使使uCr=uT=0=0，此此后后负负电电流流iL通通过过D1向向电电源源Ud回回馈馈能能量量，使使负负向向电电流流iL数数值值逐逐渐渐减减小小，到到t=t4时时，iL=0=0。图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)在在t3 t4期期间间，二二极极管管D1导导电电使使、uT=0，iT=0，这这时时给给 T施施加加驱驱动动信信号号，就就可可以以使使开开关关管管T在零电压下开通。在零电压下开通。为为了了使使T在在零零电电压压下下可可靠靠开开通通，必必须须选选择择谐谐振振电电路路的的参参数数使之满足下列关系式：使之满足下列关系式：上两式中：上两式中：fr是谐振电路的谐振频率，是谐振电路的谐振频率，I0min是负载电流的最小值。是负载电流的最小值。(6.2.1)(6.2.2)图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)由于由于T T导通导通iT=iL=I0，uCr=uT=0,=0,续流二极管续流二极管D D截止，截止，电源电源Ud对负载供电。到对负载供电。到t=t5时时T T再次被关断，完成了一个开再次被关断，完成了一个开关周期关周期TS。(5)t4tt5阶段：阶段：图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)1)在一个开关周期在一个开关周期TS中，中，仅在仅在t3 t4期间电源期间电源Ud不输出能不输出能量，而这段时间段的长短与量，而这段时间段的长短与Lr、Cr的谐振周期有关。的谐振周期有关。2)当当Lr、Cr的值一定时，的值一定时，降低开关频率降低开关频率fS S（即增大（即增大TS）将使输出电压、输出功率增大。将使输出电压、输出功率增大。3)零电压开通准谐振变换零电压开通准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的电路只适宜于改变变换电路的开关频率开关频率fS S来调控输出电压和来调控输出电压和输出功率。输出功率。图图6.2.1 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电压开通准谐电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZVS QRC)总结：总结：图图6.2.2 以以DC/DC降压变换电降压变换电路为例的零电流开通准谐路为例的零电流开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZCS QRC)Cf足够大，在一个开关周期足够大，在一个开关周期Ts中输出负载电流中输出负载电流IO和输出电压和输出电压UO都恒定不变。都恒定不变。如果滤波电感如果滤波电感Lf足足够大，则够大，则Ts中中I If=I恒定不变恒定不变。假定假定tt1时，时，iT=iLI0 ,iL-I0对对r充充电，使电，使ucr上升上升r、Cr产生串联谐产生串联谐振。谐振振。谐振1/4周期后，周期后，iT=iL达最大值，达最大值，ucr=Ud；谐振；谐振1/2周期后，周期后，iT=iL=I0，ucr=2Ud；此后，；此后，iT=iL从从I0下降，下降，t=t2时到下降到零，时到下降到零，Uducr2Ud。(2)t1tt2阶段：阶段：图图6.2.2 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电流开通准谐电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZCS QRC)在此期间由于在此期间由于Lr、Cr谐振，谐振，iL为负为负值，二极管值，二极管D1导电，导电，uT=0，若此时撤，若此时撤除驱动信号除驱动信号ug，T可以在零电流下关可以在零电流下关断，无关断损耗。断，无关断损耗。t=t3时，时，ucrud，二极管二极管D1截止，截止，iT=iL=0，uT=Ud-ucr。(3)t2tt3阶段：阶段：使使T在在零零电电流流下下关关断断的的谐谐振振电电路路参参数数关系式：关系式：(6.2.3)(6.2.4)图图6.2.2 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电流开通准谐电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZCS QRC)由于由于T、D1均已断流，续流均已断流，续流二极管二极管D仍反偏截止，电容仍反偏截止，电容Cr的的向滤波电感和负载放电，到向滤波电感和负载放电，到t=t4时，时，ucr=0，uT=Ud，续流二极管，续流二极管D导电，导电，其电流从零突变为其电流从零突变为I0。图图6.2.2 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电流开通准谐电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZCS QRC)(4)t3tt4阶段：阶段：(5)t4tt5阶段：阶段：续流二极管续流二极管D导电，到导电，到t=t5时，时，T再次被驱动，经历一个完整的周再次被驱动，经历一个完整的周期期TS。1)在在一一个个开开关关周周期期TS中中，仅仅在在0t2期期间间电电源源输输出出功功率率，t2t3期期间间Cr向向电源回馈能量。电源回馈能量。2)当当Cr、Lr的的值值一一定定时时谐谐振振周周期期Tr=1/fr是是不不变变的的，变变换换电电路路的的开开关关频频率率fS越越高高，Ts就就越越小小，T的的相相对对导导通通时时间间（电电源源输输出出功功率率的的时时间间）t2/TS增增长长，将将使使输输出出电电压压、输输出出功率增大。功率增大。3)零零电电流流开开关关准准谐谐振振变变换换电电路路只只适适宜宜于于改改变变变变换换电电路路的的开开关关频频率率fS来调控输出电压和输出功率。来调控输出电压和输出功率。图图6.2.2 以以DC/DC降压变换降压变换电路为例的零电流开通准谐电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（振变换电路（ZCS QRC)总结：总结：零开关零开关PWM变换电路变换电路 1）是）是PWM电路与电路与QRC电路的结合电路的结合,它在准谐振型变它在准谐振型变换电路基础上加入一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过换电路基础上加入一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，造成开关管程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，造成开关管的零压开通或零流关断条件。的零压开通或零流关断条件。2）谐振电感）谐振电感L与主开关器件串联在电路中，开通时与主开关器件串联在电路中，开通时承受负载电流，因此，变换电路可按恒定频率承受负载电流，因此，变换电路可按恒定频率PWM方式方式调控输出电压，利用启动准谐振变换电路创造零压或零调控输出电压，利用启动准谐振变换电路创造零压或零流条件，开通或关断开关器件。流条件，开通或关断开关器件。3）既可以像）既可以像QRC电路一样通过谐振为主功率开关电路一样通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关条件，又可以使电路像常规管创造零电压或零电流开关条件，又可以使电路像常规PWM电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。电路特点：电路特点：1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路结构及工作原理：变换电路结构及工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 ZVS PWM变换电路是在变换电路是在 ZVS QRC电路的谐振电感电路的谐振电感Lr上并联一个辅助开关管上并联一个辅助开关管D2和和T2组成的。组成的。若若tt0时，主开关管时，主开关管T1和和辅助开关辅助开关T2都是导通的，续都是导通的，续流二极管流二极管D截止，截止，iL=If=I0，ucr=0。在一个开关周期。在一个开关周期T5中，中，可分可分5个阶段来分析电路的工个阶段来分析电路的工作过程；作过程；1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 t=t0 时，时，ucr=0,撤除撤除T1的驱动的驱动信号信号ug1使零电压使零电压T1关断，电流关断，电流立即从立即从 T1转移到转移到Cr，给，给Cr充电，充电，由于由于iL=If=I0恒定，恒定，ucrUd时，续时，续流二极管流二极管D仍处于反偏截止。仍处于反偏截止。t=t1，Cr充电到充电到ucr=Ud，续流，续流二极管二极管D不再反偏而导电。不再反偏而导电。1）t0tt1阶段：阶段：1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 由于续流二极管由于续流二极管D导电，经导电，经T2、D2续流，这段时期是可以续流，这段时期是可以通过改变辅助开关通过改变辅助开关T2的关断时的关断时刻刻t2控制的，因此续流二极管控制的，因此续流二极管D导电的占空比是可以实施导电的占空比是可以实施PWM控制的，用它来调控输出电压。控制的，用它来调控输出电压。2）t1tt2阶段：阶段：1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 由于在由于在t=t2时刻撤除辅助开时刻撤除辅助开关管关管T2的驱动信号而关断，的驱动信号而关断，Cr、Lr产生谐振。在产生谐振。在T2关断前瞬间，关断前瞬间，由于由于T1已关断，已关断，ucr=Ud，所以，所以T2为零电压关断。为零电压关断。从从t=t2后到后到1/4谐振周期时，谐振周期时，ucr到达最大值到达最大值Ud+I0Zr，此后电，此后电容容Cr放电，放电，ucr下降，到下降，到t=t3时，时，此期间此期间iL为负值。为负值。3）t2tt3阶段：阶段：1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 负电流负电流iL经二极管经二极管D、D1向向电源电源Ud回馈能量。回馈能量。由于导通的由于导通的D1与主开关管与主开关管T1并联，在此期间若对并联，在此期间若对T1施加驱动施加驱动信号则信号则T1 将在零电压下开通。将在零电压下开通。T1 开通后负开通后负iL反向从零线性反向从零线性增大，到增大，到t=t4时时iL=I0，续流二极，续流二极管管D的电流的电流iD=I0=iL从从I0减小到零减小到零而自然关断。而自然关断。4）t3tt4阶段：阶段：1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 使使T T1 1在零电压下开通，必在零电压下开通，必须选择谐振电路的参数使之满须选择谐振电路的参数使之满足下列关系：足下列关系：4）t3tt4阶段阶段（续）：续）：(6.2.5)(6.2.6)式中：式中：是谐振电路的谐振频率，是谐振电路的谐振频率，是负载电流的最小值。是负载电流的最小值。1、零电压、零电压(开通开通)开关开关PWM变换电路工作原理：变换电路工作原理：图图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形变换电路和工作波形 t=t4时，主开关管下时，主开关管下T1已处于通态已处于通态,D反偏截止反偏截止,电电源源Ud向负载恒流供电。向负载恒流供电。在在t=t5时，撤除时，撤除T1的驱的驱动信号，动信号，T1关断，（因为关断，（因为T1关断时关断时ucr=uT1很小，很小，T1也是也是软关断）完成一个开关周期软关断）完成一个开关周期T5。5）t4tt5阶段阶段:2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换电路变换电路图图6.2.5 Buck ZCS PWM变换电路变换电路的原理图和主要电量波形图的原理图和主要电量波形图 ZCS PWM变换电路是在变换电路是在 ZCS QRC电路的谐振电容电路的谐振电容Cr上并联一个辅助开关上并联一个辅助开关管管T2和其并联的和其并联的D2组成的组成的。2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换电路变换电路 Buck ZCS PWM变换电路一变换电路一个开关周期可分为个开关周期可分为 6个时间段描个时间段描述：述：1）t0tt1阶段阶段2）t1tt2阶段阶段3）t2tt3阶段阶段4）t3tt4阶段阶段5）t4tt5阶段阶段6）t5tt6阶段阶段 设定设定tt0时，主开关管时，主开关管T1和辅和辅助开关管助开关管T2都是断开的，续流二都是断开的，续流二极管极管D导通使导通使iD=I0，谐振电容，谐振电容Cr上的电压为零。上的电压为零。2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换变换 电路工作过程电路工作过程 对对T1施加驱动信号施加驱动信号ug1使其使其导通，导通，iT1=iL线性上升至线性上升至I0，iD=iL-I0下降到零，下降到零，t=t1时，时，D截截止。止。在在T1导通瞬间，由于谐振导通瞬间，由于谐振电感电感Lr上的电压上的电压uLr=Ud，则，则T1为软开通为软开通。1）t0tI0，经过半个谐振，经过半个谐振周期周期Tr后到后到t=t2时刻，时刻，iL=I0，ucr=2Ud（最大值）。（最大值）。2）t1tt2阶段：阶段：t=t2时，时，D2的电流的电流iD2=iL-I0而自然关断，电源对负载供电，而自然关断，电源对负载供电，iL=if=I0。3）t2tt3阶段：阶段：t=t3时时,对对T2施加驱动信施加驱动信号号ug2使其导通使其导通,Cr处于放电状处于放电状态态,Cr、Lr将继续谐振。将继续谐振。t=t3以以后后,电感电流电感电流iL由正方向谐振衰由正方向谐振衰减到零之后，减到零之后，D1导通，导通，iL通过通过D1继续向反方向谐振，并将能继续向反方向谐振，并将能量反馈回电源量反馈回电源Ud。在。在t=t4时刻，时刻，电感电流电感电流iL由反方向谐振衰减由反方向谐振衰减到零。到零。4）t3tt4阶段：阶段：2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换变换 电路工作过程电路工作过程 t=t3以以后后,电电感感电电流流iL由由正正方方向向谐谐振振衰衰减减到到零零之之后后，D1导导通通，iL通通过过D1继继续续向向反反方方向向谐振，并将能量反馈回电源谐振，并将能量反馈回电源Ud 。t=t4时时，电电感感电电流流iL由由反反方方向向谐谐振振衰衰减减到到零零。显显然然，在在iL反反方方向向运运行行期期间间，撤撤除除驱驱动动信信号号ug1主主开开关关管管T1可可以以在在零零电电压压、零零电电流流下下完完成成关断过程。关断过程。使使T1在在零零电电流流下下关关断断，谐谐振振电电路路的的参参数数关关系系式为：式为：4）t3tt4阶段：阶段：2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换变换 电路工作过程电路工作过程式中：式中：是谐振电路的谐振频率，是谐振电路的谐振频率，是负载电流的最小值。是负载电流的最小值。在此期间，在此期间，T1已关断，已关断，D仍截止，仍截止，Cr经经T2对负载放对负载放电到电到t=t5时，时，ucr=0。5）t4tt5后，撤除驱动信号后，撤除驱动信号ug2 使使T2关断，则关断，则T1在零电流下完在零电流下完成关断。成关断。t=t6时，驱动信号时，驱动信号ug1又使又使主开关管主开关管T1开通，开始下一个开通，开始下一个开关周期。开关周期。6）t5tt6阶段：阶段：2、零电流、零电流(关断关断)开关开关PWM变换变换 电路工作过程电路工作过程 将谐振电感将谐振电感Lr及辅助开关及辅助开关T2与主开关并联，控制与主开关并联，控制辅助开关的开通、截止产生辅助开关的开通、截止产生LCLC振荡，使主开关实现零振荡，使主开关实现零电流关断或零电压开通。这种变换器被称为零电流转电流关断或零电压开通。这种变换器被称为零电流转换（关断）开关换（关断）开关PWM变换电路（变换电路（ZCT PWM）和零电压）和零电压转换（开通）开关转换（开通）开关PWM变换电路（变换电路（ZVT PWM）。）。定义：定义：图图6.2.9 Boost ZVT PWM6.2.9 Boost ZVT PWM 电路的原理图电路的原理图 图图6.2.7 6.2.7 Boost ZCT PWM 电路的原理图电路的原理图 1、零电流转换开关、零电流转换开关PWM变换电路变换电路 图图6.2.6 基本零电流转换开关基本零电流转换开关 图中辅助谐振网络由辅助图中辅助谐振网络由辅助开关管开关管T1、谐振电感、谐振电感Lr、谐振、谐振电容电容Cr及辅助整流二极管及辅助整流二极管D1构构成。成。将此开关应用到其它将此开关应用到其它PWM变换电路中，可以得到不同的变换电路中，可以得到不同的零电流转换开关零电流转换开关PWM变换电路。变换电路。1）基本零电流转换开关）基本零电流转换开关1、零电流转换开关、零电流转换开关PWM变换电路变换电路 图图6.2.7(a)Boost ZCT PWM 电路的原理图电路的原理图 l电路中所有元器件都是理想的；电路中所有元器件都是理想的；l 电路中输入滤波电感足够大，电路中输入滤波电感足够大，故在一个开关周期内，输入电故在一个开关周期内，输入电压源压源d及输入滤波电感及输入滤波电感Lf可用可用一个恒流源一个恒流源Ii代替；代替；l滤波电容滤波电容Cf足够大，故在一个足够大，故在一个开关周期中，开关周期中，Cf和和R可用一个恒可用一个恒压源代替。压源代替。2）电路说明：）电路说明：1、零电流转换开关、零电流转换开关PWM变换电路变换电路 图图6.2.7 Boost ZCT PWM原理图及电路主要电量波形原理图及电路主要电量波形 在每一次主开关管需要进行状态转换在每一次主开关管需要进行状态转换之前，先导通辅助开关管之前，先导通辅助开关管，使辅助电路，使辅助电路谐振，为主开关管创造零电流关断或零电谐振，为主开关管创造零电流关断或零电流导通条件。流导通条件。主功率开关管完成状态转换以后，尽主功率开关管完成状态转换以后，尽快关断辅助开关管快关断辅助开关管，使辅助电路停止工，使辅助电路停止工作，电路重新回到作，电路重新回到PWM方式下运行。方式下运行。当以一种合适的方式控制辅助开关管当以一种合适的方式控制辅助开关管时，时，也可以在零电流下完成导通与也可以在零电流下完成导通与关断的过程。关断的过程。工作原理工作原理1、零电流转换开关、零电流转换开关PWM变换电路变换电路 优点优点1）可以使主功率开关管在零电流条件下关断）可以使主功率开关管在零电流条件下关断。2）可以自适应的根据输入电压和输出负载调整自己的环）可以自适应的根据输入电压和输出负载调整自己的环 流能量。流能量。3）可以在很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软）可以在很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软 开关操作。开关操作。缺点缺点1）主功率开关管的开通是硬开关过程。）主功率开关管的开通是硬开关过程。2）辅助开关管关断是硬开关过程）辅助开关管关断是硬开关过程。2、零电压转换开关、零电压转换开关PWM变换电路变换电路 图图6.2.8 基本零电流转换开关基本零电流转换开关 其中辅助谐振网络由辅助开其中辅助谐振网络由辅助开关管关管T1、谐振电感、谐振电感Lr、谐振电容、谐振电容Cr及辅助整流二极管及辅助整流二极管D1构成。构成。将此开关应用到其它将此开关应用到其它PWM变换电路中，可以得到不同的零变换电路中，可以得到不同的零电压转换开关电压转换开关PWM变换电路。变换电路。1）基本零电流转换开关）基本零电流转换开关2、零电压转换开关、零电压转换开关PWM变换电路变换电路 图图6.2.9 Boost ZVT PWM电路的原理图电路的原理图 在每一次主开关管在每一次主开关管T需要导通之前，先导通辅助开关管需要导通之前，先导通辅助开关管T1，使辅助谐，使辅助谐振网络谐振；振网络谐振；当主开关管当主开关管T两端电容电压谐振到零后，在零电压下导通主开关管两端电容电压谐振到零后，在零电压下导通主开关管T。主开关管主开关管T完成导通后，迅速关断辅助开关管完成导通后，迅速关断辅助开关管T1，使辅助谐振电路停，使辅助谐振电路停止工作。之后，电路以常规的止工作。之后，电路以常规的PWM方式运行。方式运行。主功率开关管主功率开关管T的关断过程是在谐振电容的关断过程是在谐振电容Cr的作用下完成的，因此本的作用下完成的，因此本身就是一个软关断过程，并不要辅助电路作用。身就是一个软关断过程，并不要辅助电路作用。2）工作原理）工作原理