开关电源新技术优秀PPT.ppt

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1、第五章第五章 开关电源新技术开关电源新技术(参考内容参考内容)现代电源好用现代电源好用技术技术电子教案电子教案目目 录录概述53 软开关新技术53.1 软开关的基本概念53.1.1 硬开关与软开关53.1.2 零电压开关与零电流开关53.2 软开关电路的分类53.3 典型的软开关电路53.3.1 零电压开关准谐振电路53.3.2 谐振直流环53.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路53.3.4 零电压转换PWM电路本章小结概概 述述v电力电子装置高频化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。v软开关技术软开关技术降低开关损耗和开

2、关噪声。进一步提高开关频率。5 53.1.1 3.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关v硬开关：硬开关：v开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的猛烈变更。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的猛烈变更。v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。v软开关：软开关：v在在电电路路中中增增加加了了小小电电感感、电电容容等等谐谐振振元元件件，在在开开关关过过程程前前后后引引入谐振，使开关条件得以改善。入谐振，使开关条件得以改善。v降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。v软开关有时也被成为谐振开关。软开关有时也被成为谐振开关。v工作原理：工作原理：v软软开开关关电电路路中中

3、S S关关断断后后Lr Lr与与CrCr间间发发生生谐谐振振，电电路路中中电电压压和和电电流流的的波波形形类类似似于于正正弦弦半半波波。谐谐振振减减缓缓了了开开关关过过程程中中电电压压、电电流流的的变变更，而且使更，而且使S S两端的电压在其开通前就降为零。两端的电压在其开通前就降为零。5 53.1.2 3.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关v软开关分类软开关分类零零电电压压开开关关：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，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。图5-1 零电压开关准谐振电路及波形a）电路图 b）志向化波形（显示放大图）零零电电流流

4、开开关关：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，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。图5-2 硬开关电路及波形a）电路图 b）志向化波形（显示放大图）5 53.1.2 3.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关v零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。v零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。v零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。v简洁的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断

5、过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。5 531.2 31.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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依依据据开开关关元元件件开开通通和和关关断断时时电电压压电电流流状状态态，分分为为零零电电压压电电路路和零电流电路两大类。和零电流电路两大类。依依据据软软开开关关技技术术发发展展的的历历程程可可以以将将软软开开关关电电路路分分成成准准谐谐振振电电路、零开关路、零开关PWMPWM电路和零转换电路和零转换PWMPWM电路。电路。每每一一种种软软开开关关电电路路都都可可以以用用于于降

6、降压压型型、升升压压型型等等不不同同电电路路，可以从基本开关单元导出具体电路。可以从基本开关单元导出具体电路。图 5-3 基本开关单元的概念（显示放大图）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5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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1 1 准谐振电路准谐振电路v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。v为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant C

7、onverterZVS QRC）；图 5-4 准谐振电路的基本开关单元（显示放大图）a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关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 5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）；零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）；用于逆变器的谐振直流

8、环节(Resonant DC Link）。特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必需提高；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、负载变更而变更，因此电路只能接受脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来限制。5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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2 2 零开关零开关PWMPWM电路电路 引引入入了了协协助助开开关关来来限限制制谐谐振振的的起起先先时时刻刻，使使谐谐振振仅仅发发生生于于开开关关过过程程前后。前后。零开关零开关PWMPWM电路

9、可以分为：电路可以分为：零零 电电 压压 开开 关关 PWMPWM电电 路路（Zero-Voltage-Switching Zero-Voltage-Switching PWM PWM ConverterZVS PWMConverterZVS PWM）；）；零零 电电 流流 开开 关关 PWMPWM电电 路路（Zero-Current-Switching Zero-Current-Switching PWM PWM ConverterZCS PWMConverterZCS PWM）。）。特点：特点：电电压压和和电电流流基基本本上上是是方方波波，只只是是上上升升沿沿和和下下降降沿沿较较缓缓，开开

10、关关承承受受的的电压明显降低；电压明显降低；电路可以接受开关频率固定的电路可以接受开关频率固定的PWMPWM限制方式。限制方式。图5-3 零开关PWM电路的基本开关单元a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元（显示放大图）5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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3 3 零转换零转换PWMPWM电路电路接受协助开关限制谐振的起先时刻，但谐振电路是与主开关并联的。接受协助开关限制谐振的起先时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换零转换PWMPWM电路可以分为：电路可以分为：零零电电压压转转换

11、换PWMPWM电电路路（Zero-Voltage-Transition Zero-Voltage-Transition PWM PWM ConverterZVT ConverterZVT PWMPWM）；）；零零电电流流转转换换PWMPWM电电路路（Zero-Current Zero-Current Transition Transition PWM PWM ConverterZVT ConverterZVT PWMPWM）。）。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

12、到最小，这使得电路效率有了进一步提高。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。图 5-6 零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元（显示放大图）5 5 5 53.2 3.2 3.2 3.2 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5 53.3.1 3.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路图5-7 零电压开关准谐振电路原理图（显示放大图）图7-8 零电压开关准谐振电路的志向化波形（显示放大图）v工作原理工作原理 v t0t1t0t1时时段段：t0t0时时刻刻之之前前，开

13、开关关S S为为通通态态，二二极极管管VDVD为为断断态态，uCr=0uCr=0，iLr=ILiLr=ILvt0t0时时刻刻S S关关断断，与与其其并并联联的的电电容容CrCr使使S S关关断断后后电电压压上上升升减减缓缓，因因此此S S的的关关断断损损耗耗减减小小。S S关关断断后后，VDVD尚尚未未导导通通。电电感感Lr+LLr+L向向CrCr充充电电，uCruCr线线性性上上升升，同同时时VDVD两两端端电电压压uVDuVD渐渐渐渐下下降降，直直到到t1t1时时刻刻，uVD=0uVD=0，VDVD导通。这一时段导通。这一时段uCruCr的上升率：的上升率：v（7-17-1）图5-9 零电

14、压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路（显示放大图）5 53.3.1 3.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路5 53.3.1 3.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路v工作原理工作原理 t1t2时段：t1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。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。图510 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路（显示放大图）5 53.3.1 3.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t3t4时段：t3时刻以

15、后，Lr向Cr反向充电，uCr接着下降，直到t4时刻uCr=0。t1到t4时段电路谐振过程的方程为：（7-2）t4t5时段：VDS导通，uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时段S两端电压为零，所以必需在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。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的变更率为：（7-3）t6t0时段：S为通态，VD为断态。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v 谐振过程定量分析谐振过程定量分析求解式（7-2）可得uCr（即开关S的电压uS）的表达式：（7-

16、4）uCr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：（7-5）零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：（7-6）v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。7.3.2 7.3.2 谐振直流环谐振直流环v谐振直流环电路应用于沟通-直流-沟通变换电路的中间直流环节（DC-Link）。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 5-11 谐振直流环电路原理图（显示放大图）5 53.3.2 3.3.2 谐振直流环谐振直流环v 电路的工作过程：将电路等效为图7-12。v t0t1时段：t0时刻之前，开关S处于通态，iLrIL，。t0时刻S

17、关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。vt1t2时段：t1时刻，谐振 电 流 iLr达 到 峰 值。t1时刻以后，iLr接着向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。图 5-12 谐振直流环电路的等效电路（显示放大图）图 5-13 谐振直流环电路的志向化波形（显示放大图）5 53.3.2 3.3.2 谐振直流环谐振直流环t2t3时段：uCr向Lr和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。t3t4时段：t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，起先衰减，uCr接着下降，t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。t4t0

18、时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。缺点：电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。图 5-12 谐振直流环电路的等效电路（显示放大图）图 5-13 谐振直流环电路的志向化波形（显示放大图）5 53.3 3.3 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v同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通；v移相全桥电路限制方式的特点：v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；v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确定的死区时间。v互为对角的两对开关S1-

19、S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。5 53.3.3 3.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电电路路图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路（显示放大图）图 5-15 移相全桥电路的志向化波形（显示放大图）5 5 5 53.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 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PWMPWMPWMPWM电路电路电路电路v工作过程工作过程t0t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。

20、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。图5-16 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图（显示放大图）5 5 5 53.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 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PWMPWMPWMPWM电路电路电路电路t3t4时段：t4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

21、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。t4t5时段：S3开通后，Lr的电流接着减小。iLr下降到零后反向增大，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。图5-17 移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路（显示放大图）5 5 5 53.3.4 3.3.4 3.3.4 3.3.4 零电压转换零电压转换零电压转换零电压转换PWMPWMPWMPWM电路电路电路电路v零电压转换PWM电路具有电路简洁、效

22、率高等优点。图5-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图（显示放大图）7.3.4 7.3.4 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PWMPWMPWMPWM电路电路电路电路v工工作作过过程程：协协助助开开关关S1S1超超前前于于主主开开关关S S开开通通，S S开通后开通后S1S1关断。关断。v t0t1t0t1时时段段：，S1S1导导通通，VDVD尚尚处处于于通通态态，电电感感Lr Lr两两端端电电压压为为UoUo，电电流流iLriLr线线性性增增长长，VDVD中中的的电电流流以以同同样样的的速速率率下下降降。t1t1时时刻刻，iLr=ILiLr=IL，VDVD中

23、电流下降到零，关断。中电流下降到零，关断。vt1t2t1t2时时段段：Lr Lr与与CrCr构构成成谐谐振振回回路路，Lr Lr的的电电流流增增加加而而CrCr的的电电压压下下降降，t2t2时时刻刻uCr=0uCr=0，VDSVDS导通，导通，uCruCr被箝位于零，而电流被箝位于零，而电流iLriLr保持不变。保持不变。图 5-20 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路（显示放大图）7.3.4 7.3.4 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PWMPWMPWMPWM电路电路电路电路t2t3时段：uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态始终保持

24、到t3时刻S开通、S1关断。t3t4时段：t3时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时S1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中的电流线性上升。t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中的电流iS=IL，电路进入正常导通状态。t4t5时段：t5时刻S关断。Cr限制了S电压的上升率，降低了S的关断损耗。图5-19 升压型零电压转换PWM电路的志向化波形（显示放大图）本章小结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，大大大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问

25、题。降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。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。依依据据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。每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。类。每一类都包含基本拓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技术在

26、逆变电路中的典型应用。关技术在逆变电路中的典型应用。图图7-1 7-1 零电压开关准谐振电路及波形零电压开关准谐振电路及波形a）电路图 b）志向化波形 图图7-2 7-2 硬开关电路及波形硬开关电路及波形a）电路图 b）志向化波形图图 7-3 7-3 基本开关单元的概念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图图 7-4 7-4 准谐振电路的基本开关单元准谐振电路的基本开关单元a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关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 图图7-5

27、7-5 零开关零开关PWMPWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元 图图 7-6 7-6 零转换零转换PWMPWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元图图7-7 7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图图图7-8 7-8 零电压开关准谐振电路的志向化波形零电压开关准谐振电路的志向化波形图图7-9107-910准谐振电路等效电路准谐振电路等效电路图7-9 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路图7-10 零电压开关准

28、谐振电路在t1t2时段等效电路图图 7-11 7-11 谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图图图 7-12 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路图图 7-13 7-13 谐振直流环电路的志向化波形谐振直流环电路的志向化波形 图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路图图 7-15 7-15 移相全桥电路的志向化波形移相全桥电路的志向化波形图图7-16 7-16 移相全桥电路在移相全桥电路在t t1 1 t t2 2阶段的等效电路图阶段的等效电路图图图7-17 7-17 移相全桥电路在移相全桥电路在t t3 3 t t4 4阶段的等效电路阶段的等效电路图图7-18 7-18 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的原理电路的原理图图7-19 7-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的志向化波形电路的志向化波形图图 7-20 7-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路在电路在t t1 1 t t2 2时段的等效电路时段的等效电路