2022年软开关基本理论的研究_脉宽调制.docx

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1、2022年软开关基本理论的研究_脉宽调制 引言 随着电力电子技术的发展，功率变换器(PowerConverters)在开关电源、电机驱动限制、高频感应加热、焊接电源、电网的无功补偿和谐波治理等众多领域得到日益广泛的应用。为了实现功率变换器装置的高性能、高效率、高牢靠性、减小体积和重量，必需实现功率变换器中开关管的软开关(SoftSwitching)。软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关理论的深化探讨及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的改变。 1软开关的定义 所谓的软开关是与硬开关对应的，凡用限制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流，或使流过电

2、子开关的电流为零时关断，则此开关称为软开关。它能克服传统的硬开关的开关损耗，志向的软开关的开关损耗为零，从而可提高功率变换器的传输效率。 最志向的软开关开通过程是零电压开通，即：电压先降到零，然后，电流再缓慢上升到通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的电压在开通时下降为零，器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问题，此意味着二极管已经截至，其反向复原过程结束，故也不存在二极管的反响复原问题；与之相对应的是软开关关断过程：电流先降到零，然后，电压再缓慢上升到断态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关断器件上的电流在关断时下降为零，线路中的电感上的电流也相应为零，因此不

3、存在感性关断的过程。 上述开关过程对应的波形如图1所示，图中还画出了硬开关的工作波形，以示对比。 软开关 硬开关 关断波形 开通波形 图1软开关与硬开关波形比较 1.1软开关的分类 由图可知，软开关包括软开通和软关断；其中，软开通又包括零电压开通和零电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断。下面以上图为基础分别对四种方式作一介绍： 零电压关断：开关器件在两端的电压为零时实行关断。此关断吩咐在t1时刻发出，开关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状态。在t2以前，开关器件的端电压必需保持在通态值，即约为0。 零电流关断：开关器件在两端的电流从通态

4、值下降到零时实行关断。此关断吩咐在t2时刻或其后发出，开关器件上的端电压从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状态。 零电压开通：开关器件在两端的电压为零时实行开通。此开通吩咐在t2时刻或其后发出，开关器件上的电流从断态值上升到通态值后，开关器件进入导通状态。在t2以前，开关器件端电压必需下降到通态值，并且在电流上升到通态值以前保持在零。 零电流开通：开关器件在两端的电流为零时实行开通。此开通吩咐在t1时刻发出，开关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入到导通状态。在t2以前，开关器件的电流必需保持在断态值。 1.2几个参数的定义 由上面的介绍可知，软

5、开关的种类有很多种，为了能够更有效的比较、评估各种软开关的性能，我们引进以下参数： 变换器效率： 式中P为变换器的输出功率，P为变换器的输入功率。 变换器的效率反映了变换器的总的损耗状况，假如所采纳的软开关技术在减小器件的开关损耗的同时又增加了器件的通态损耗，则变换器的效率不会有明显的改进。 开关器件的利用率： 式中n为变换器中的开关器件的个数，U、I为主开关器件正常工作时所承受的最大电流和最大电压。 开关器件的利用率反映了器件所承受的电压电流应力的状况，在相同的输出功率下，器件承受的电压电流的应力越小，器件的利用率就会越高。 2软开关的分类与发展 电力开关变换器在高频时须要着重解决的两大问题

6、是：实现开关管的零电压或零电流开关条件，以尽可能缩小开关损耗消退开关浪涌。当前实现的方法许多，根据软开关的发展过程可分为：谐振开关谐振环软开关PWM。 2.1谐振开关 依据电路理论可知，谐振可分为串联谐振和并联谐振。串联谐振是指把正弦电压加在志向的电感和电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，感抗与容抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；并联谐振是把正弦电压加在志向的电感和电容并联的电路上，当正弦频率为某一值时，电路的总导纳为零，电感、电容上的电压达到无穷大。 在开关电源电路中，由于所加的电压不是正弦电压，而是直流电压。当直流电压加在串联的LC回路时，电路中的电压按正弦规律无阻尼振荡，当振

7、荡到零时，使电子开关导通流过电流，此方法为零电压开通。同理，当电路中的流过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关断开，此方法为零电流关断。电路如图2所示。 考虑到实际的电路中的线路损耗，尤其是电感的绞线有肯定的损耗，且此损耗将随着工作频率的提高而增加，因此实际的LC谐振线路将为如图3所示的R、L、C电路，其中。谐振开关主要由电力开关管、谐振电感和谐振电容组成。根据不同的组合方式，分为电流型谐振开关和电压型谐振开关两种。 电流型谐振开关为零电流开关，电感与开关串联；电压型谐振开关为零电压开关，电容和开关并联。同时，依据开关管是否能可逆限制，谐振开关的运行方式可分为半波和全波两种。如图4、图5、图6

8、、图7所示： 下面我们以图4为例来说明它的软开关是如何实现的。 对开关管Z1而言，L1与C1组成一个串联谐振电路。当Zl开通时，由于L1限制电流的上升速度，可实现零电流开通。当Z1导通时，电流以准正弦形式经Zl、L1进入Cl。当电感电流下降到零时，电容电压使Dl承受反向电压而关断。这样，谐振开关具备了零电压和零电流的特性。 与半波结构相比，全波结构谐振变换器的直流电压转换比与负载的大小无关，只与开关器件的工作频率和LC谐振频率有关。因此，全波结构变换器的限制比半波结构要简洁，在工程中应用更普遍。 与一般的PWM开关相比，谐振开关的优点是能实现软开通或软关断，但是它的缺点也很明显： 开关器件的通

9、态电流或断态电压应力大。对于电压模式的谐振开关，开关在零电压下开通和关断，其承受的断态峰值电压是输出电压的两倍以上，对电流模式则它的通态电流峰值输出电流的两倍以上，通态损耗大。 开关器件的工作频率不恒定。当电源或负载改变时，只能靠变更开关器件的工作频率f来调整输出电压，使f的改变范围很大，以至于功率变压器、输入、输出滤波器的设计和优化都难以进行。 f的大范围改变不利于与下级变换器的同步。 2.3谐振环 谐振变换器在DC-DC中的应用很胜利，但在DC-AC变换器中，尤其是在逆变器中，由于多个谐振开关的谐振元件作用相互影响，电路的工作出现不正常。这使得谐振变换器的应用遇到了困难，11016年美国威

10、斯康星高校的D.M.Divan教授提出了谐振环的概念，包括谐振直流环和谐振极逆变器。这两种电路拓扑结构在DC-AC变换器中得到了较好的应用，由于RACL所用的开关器件比较多，在实际中运用较少，所以我们这只介绍RDCL。 RDCL是一个全新的概念，它的基本电路结构如图8所示。 它借鉴了高频环节变换器的思想，利用谐振元件L和C及谐振限制开关在逆变器的输入直流电压电路中产生谐振，把输入直流电压转换成一系列高频脉冲电压波供应逆变桥。谐振限制管VT1在Ucr谐振回零时零电压开通，并保持Ucr=0一段时间。在此时间内，逆变桥在零电压下进行换流。变更开关工作状态；另外，电源Us给谐振电感Lr充电补充能量，以

11、保证下一个谐振周期内Ucr牢靠的回零。待i谐振上升到肯定的阀值后，VT1在零电压条件下关断，下一个谐振周期起先。据此，逆变器输入端就得到一系列高频脉冲电压波。归结起来，其基本思想是使直流母线电压或电流以较高频率振荡，恒定的直流电压或电流变成高频脉动的直流电压或电流，从而出现周期性的过零点，给挂在母线上的全部开关器件创建零电压或零电流开通和关断条件。 它的突出的优点是电路简洁，谐振回路放置在直流侧，只需一组谐振元件L、C、VT1就可获得整个逆变器全部器件的零电压条件。特殊是换流时直流环节电压要保持一段零电压时间，使得逆变桥的主开关器件将获得较好的开关条件。这样不须变更直流母线两侧变换器的结构，而

12、只要对公共直流母线电压或电流进行操作。 但是，为了获得开关器件的零电压开关，RDCL只能在Ucr=0时切换开关状态，因此，RDCL只能采纳离散脉冲调制的方法来限制，而无法采纳传统的PWM限制技术。在DPM调制下，其输出的频谱特性比PWM方法差的多。只有当DPM逆变器的工作频率高于PWM逆变器工作频率几倍时，两者的输出波形品质才基本相等。虽然DPM方法下可以做到，但是却带来了次谐波的问题，且次谐波频带很宽不易用滤波器消退。 另外，由于是在直流环上进行谐振，使Cr上的电压峰值高达2.5倍，器件所承受的电压应力也相应会增加.谐振电感元件Lr正处在主功率传输通道上，流经它的电流较大，其电阻将消耗很大一

13、部分输入功率，造成逆变器的传输效率下降及Lr发热。 为了弥补这些缺陷，各国的学者推出了很多的改进电路及电路拓扑结构。 RDCL最初的改进主要着眼于限制Ucr和降低Lr的损耗。由于Ucr主要是因谐振引起的，而谐振又是实现软开关的所必需的状态，因此降低它的途径主要有两条：附加钳位电路来限制其大小改造电路拓扑，将Lr从直流电源和逆变桥间移走，由电源来钳位限制Ucr，使UcrUs。用钳位电路限制Ucr的大小，主要是利用开关电容网络来汲取和储存Lr中的能量，以实现钳位功能。Lr释放能量时，用一个大电容汲取Lr中的能量来限制Ucr的上升：Lr汲取能量时，大电容又释放能量以确保谐振能持续进行。这种电路中比较

14、典型的是有源钳位谐振直流环节逆变器。 这种钳位电路虽然可以限制Ucr的大小，但是它的值仍大于Us，钳位电路限制困难且对谐振周期有肯定的影响，电路中的闭环限制一旦失败，将引起过高的Ucr或者Ucr无法回到零点，对电路造成损坏。因此钳位电路的牢靠性限制就显得尤为关键。 为了避开这种状况的发生，经过各国学者的探讨，提出了另外一种新的电路拓扑结构一并联谐振直流环节逆变器。它主要的改进是将Lr从电源和Cr之间移走，利用电源来钳位，而且还能减小Lr上的损耗。是一种较志向的软开关逆变器。 2.4软开关PWM变换技术 由上述介绍可知，软开关的实现形式有很多种，一般的谐振环或谐振开关都可以克服传统PWM变换器硬

15、开关所产生的四大缺陷，实现软开关。但由于他们既利用谐振实现换相，又利用谐振来实现功率传输，而不能很好的应用PWM限制方式，因此，器件的通态电流峰值或断态电压峰值是负载或电源的电流或电压的两倍以上，这不但增加了稳态器件的电流或电压应力，又增加了通态损耗。而传统的PWM开关变换器的器件通态电流、断态电压等于负载或电源的电流或电压，通态损耗小，通态电流或断态电压应力小。 由此可见，若用谐振来实现换相，换相完后再用PWM来实现功率传输，则可综合以上两种方式的优点，则既能克服硬开关PWM在开关过程中的四个缺陷，又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力，完成效率更高的功率传输。这就是现在应用最为

16、广泛的软开关PWM限制技术。 3全桥变换器的限制方式 3.1全桥PWM变换器的基本电路及工作原理 全桥变换电路拓扑是目前国内外DC-DC变换电路中最常用的电路拓扑结构形式之一，这主要是考虑到它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率高等优点。基本的全桥变换电路依据供电方式的不同可分为电压型和电流型两种。其中电压型DC-DC全桥变换电路是由基本的BUCK电路演化而来，因此也称为全桥BUCK变换器，在实际中得到较广泛的应用，其基本电路如图9所示。 下面对电压型全桥变换电路在PWM方式下工作原理做一简要叙述： 直流电压U施加在VT1、VT2、VT3、VT4四只开关管所构成的两个桥臂上，

17、通过限制四只开关管的通断依次以及通断时间，在变压器T的原边得到按某一占空比D改变的正负半周对称的沟通方波电压。设该变压器的变比为n，则沟通方波电压经过高频变压器的隔离和电压变换后，在变压器的副边对应得到一个幅值为Ui/n的沟通方波电压，沟通方波电压Ui/n再通过输出整流桥改变为直流脉动方波电压，最终通过输出滤波电感与和电容Cf将这个直流方波电压中的高频重量滤去，在输出端Cf上得到一个平直的直流电压，其电压值为。其中为占空比。通过调整占空比就可以便利的调整输出电压。 3.2双极性限制方式 开关管VT1和VT4、VT2和VT3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替开通和关断，其开通时间均不超过

18、半个开关周期，即它们的开通角小于180。当VT1、VT4导通时，VT2、VT3上的电压为U，反之亦然；当四个开关管都处在截至状态时，每个开关管所承受的电压为U/2。由高频变压器的漏感与开关管结电容在开关过程中产生高频振荡所引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，钳位二极管Dl-D4将导通，使开关管两端的电压被钳制在输入电压上。这种限制方式是过去全桥电路最基本的方式。在这种方式中，功率变换是通过中断功率流和限制占空比的方法来实现的，其工作频率恒定。 3.3有限双极性限制方式 在这种方式中，电路中一个桥臂的两个开关管180度互补导通，另一个开关桥臂的两个开关管的导通占空比可调。如正半周期中，VT1、V

19、T4同时导通，VT4在正半周中始终开通，VT1依据占空比的要求只开通一段时间；同理，在负半周期中，VT2始终开通，VT3依据占空比的要求只开通一段时间。VT1和VT3分别在VT4和VT2之前关断。定义VT1、VT3组成的桥臂为领先桥臂，VT2和VT4组成的桥臂为滞后桥臂。 3.4不对称限制方式 在这种方式中，开关管VT1、VT4，VT2、VT3同时开通和关断。与双极性方式不同的是VT1、VT4和VT2、VT3的开通和关断是互补的，即当VT1、VT4开通时，VT2、VT3关断；VT1、VT4关断时，VT2、VT3开通。VT1、VT4的开通时间与VT2、VT3的不一样，他们的占空比分别为D，1-D

20、。当D0.5时，U的正负半周电压不对称，有很大的直流重量。为了防止变压器的直流磁化，必需在原边加入隔直电容。由于两对开关管的导通时间不一样，因此电流也不一样。为了保证在正负半周流入变压器的电流相等，必需在变压器初级并联平衡电感，其电流方向为单向流通。移相限制方式是近年来在全桥变换器中运用最多的一种软开关限制方式，它是谐振变换技术和PWM技术的结合。其工作原理为每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角。通过调整移相角的大小来调整输出电压的脉冲宽度，从而达到调整相应的输出电压的目的。假如VT1、VT3的驱动信号分别领先于VT4、VT2，可以定义VT1、VT

21、3组成的桥臂为领先桥臂，VT2、VT4组成的桥臂为滞后桥臂。移相PWM限制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。漏电感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容充放电来使开关管两端的电压下降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效的降低了电路的开关损耗和开关噪声，削减了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量供应了良好的条件。同时还保持了一般全桥电路中的结构简洁、限制方式简洁、开关频率恒定、元器件的电压电流应力小的优点。从实现变换装置小型化和轻量化的角度考虑，双极性限制方式和不对称方式不大适合中

22、大功率应用场合。有限双极性限制方式和移相限制方式具有更多的优越性，更适合中大功率的场合，其拓扑结构及限制的方式始终是人们探讨的热点方向。 本电路方案的副边整流方式不仅适于全波整流，同样也适于全桥整流方式，基本工作原理保持不变。 参考文献1周志敏,周纪海,纪爱花.开关电源好用技术设计与应用M.北京:人民邮电出版社,2022:155-163.2赵同贺.开关电源设计技术与应用实例M.人民邮电出版社,2022:188-208.3杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术M.机械工业出版社,2004.4张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.电子工业出版社,191015张恩怀.开关电源的发展概况电力电子技术D.

23、11016年其次期6杨怡,许化民.功率因数校正技术J.采矿技术,2002,2(3):85-87.7陈伯时.电力拖动自动限制系统M.机械工业出版社,110158赵良炳,杨德刚.软开关技术的回顾与展望D.电力电子技术19101年第一期9王聪软性开关逆变电路及其应用M.机械工业出版社,1101310阮新波,严仰光.全桥变换器的限制策略D.电力电子技术19101.3:106-109 第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页